Saturno: perché è gassoso?

Saturno è la più bella visione del sistema solare.
Il pianeta più affascinante.

La sua bellezza è stata esaltata dalle foto della Sonda Cassini che ci ha fatto conosce meglio questo pianeta intrigante e ancor più i suoi misteriosi anelli.

Saturno con_titano

Ma qualcosa mi sfugge.
Tranquilli, non voglio scrivere un trattato su Saturno.
La curiosità deriva dal fatto che, se ci fate caso, da un certo punto in poi nel sistema solare i pianati sono giganti e gassosi. Giove, Saturno, Urano, Nettuno. Perché?

C’è una teoria, che però non convince fino in fondo.

Mi spiego.
Circa 4,6 miliardi di anni fa, il sistema solare era una nube di polvere e gas conosciuto come nebulosa solare. E questo lo sapevamo.

Sappiamo anche che per gravità il materiale è collassato su se stesso attorno alla zona a maggiore densità formando così il Sole al centro della nebulosa.

Bene, con il sorgere del sole, il restante materiale della nebulosa ha cominciato a ruotare e a raggrupparsi. Prima in piccole particelle poi in particelle sempre più grandi a formare i planetesimi, i protopianeti, quindi i pianeti rocciosi, quelli più vicini al Sole e i pianeti gassosi, quelli più distanti.

Come mai questa anomalia?
Secondo la teoria corrente una volta che il Sole ha acceso la sua luce, il vento solare avrebbe spazzato via gli elementi più leggeri, come l’idrogeno e l’elio, dalle regioni vicine, lasciando nelle sue vicinanze solo materiali pesanti che hanno dato origine ai mondi rocciosi, Terra compresa.

Più lontano, i venti solari hanno avuto un impatto minore sugli elementi più leggeri, permettendo loro di fondersi in giganti gassosi come Saturno, per l’appunto.

Sembrerebbe tutto chiaro.
Eppure ci sono due cosine che andrebbero chiarite.

La prima. Sappiamo che il vento solare rallenta fino a velocità subsoniche a causa delle interazioni con il mezzo interstellare. Il limite oltre il quale il vento solare non riesce più a contrastare il mezzo interstellare è chiamato “termination shock”.

Ora sappiamo, grazie alle sonde Voyager 1 e Voyager 2, che questo confine, tra l’altro molto irregolare, si trova più o meno ad una distanza compresa tra 75 e 90 UA dal Sole.

Questo significa che gli elementi leggeri sarebbero dovuti essere stati trasportati dal vento solare primordiale fino a questa distanza.

Ma Giove dista dal Sole, soltanto 5,2 UA, e Saturno 9,5 UA. Questo significa che i materiali leggeri dovevano essere ben oltre le orbite degli attuali pianeti gassosi.

E allora?

Forse nei primi attimi della formazione del sistema solare – interviene a sorpresa il mio cane che fingeva di dormire – il vento solare subiva una maggiore resistenza da parte del mezzo interstellare. Il nucleo massiccio dei pianeti gassosi grazie alla loro gravitazione hanno saputo, così, cogliere gli elementi più leggeri prima che i venti solari li spazzasse via.

Forte il mio cane.
Questo forse è vero – rispondo – ma non ne sono proprio sicuro. Boh!

Qual’è il tuo dubbio – mi domanda il mio cane.

Nasce dalla osservazione che anche la Terra ha raccolto una gran quantità di materiali gassosi e di idrogeno, e malgrado avrebbe avuto tutte le caratteristiche per diventare un gigante gassoso in realtà è diventato un pianeta roccioso.

Inoltre, secondo i modelli, il processo di formazione dei pianeti gassosi richiede diversi milioni di anni, più a lungo i gas leggeri erano disponibili nel sistema solare primordiale. Tempo che il vento solare non avrebbe concesso.

Allo stesso tempo, il modello dell’accrescimento del nucleo non risolve il problema di migrazione, ovvero i pianeti neonati sarebbero dovuti collassare nel sole in un breve lasso di tempo.

Secondo una relativamente nuova teoria i pianeti giganti possono formarsi più velocemente rispetto ai loro rivali con nucleo di accrescimento, a volte in meno di un migliaio di anni, permettendo loro di intrappolare i gas più leggeri in rapida fuga. Hanno così il tempo di raggiungere rapidamente una massa con orbita stabilizzante che impedisce loro di morire con una marcia verso il sole.

Le cose devono essere andate così – mi spiega il mio sapientone di cane – Saturno prima ancora che il vento solare spazzasse via gli elementi leggeri si è comportato come un pianeta di accrescimento tanto da contenere un nucleo roccioso, da 10 a 20 volte la massa della Terra, sfuggendo all’attrazione del Sole. Successivamente ha avuto il tempo sufficiente per raccogliere abbastanza idrogeno da trasformarlo in idrogeno metallico liquido.

Muovendosi dal nucleo – continua a darmi lezioni di astronomia il mio amico cane – l’idrogeno liquido diventa meno metallico, spostando gradualmente in gas quanto più ci si sposta dal centro del pianeta.

Che abbia ragione il mio cane?

Esiste un’altra spiegazione – intervengo per non fare la figura dello sprovveduto – e te la racconto.
Hai mai sentito parlare della “frost line”? No?

La frost line, chiamata anche linea della neve, è la distanza limite dalla stella in cui la temperatura è sufficientemente bassa da permettere ai composti contenenti idrogeno, come l’acqua, l’ammoniaca e il metano, di raggiungere lo stato solido.
La presenza di una temperatura inferiore nella nebulosa in corrispondenza della frost line rende disponibile in sua corrispondenza un maggior numero di granuli ghiacciati per l’accrescimento di planetesimi ed eventualmente pianeti.

Nel nostro sistema solare questo limite si trova a circa 2,7 UA, tra Marte e Giove, nel mezzo della cintura degli asteroidi.

Cosa c’entra questo limite delle neve con i nostri pianeti gassosi? – interviene il mio sagace amico a quattro zampe.

Anch’io non capivo – rispondo – ma se ascolti capirai anche tu.

La formazione di Saturno (ma anche degli altri pianeti gassosi) ha avuto inizio a partire dalla coalescenza (aggregazione spontanea) di planetesimi di natura ghiacciata poco al di là della frost line.

L’embrione planetario così formato, ha iniziato ad accrescere materia gassosa a partire dall’idrogeno e dall’elio avanzati dalla formazione del Sole e confinati nelle regioni periferiche del sistema dal vento della stella neoformata.

Il proto-Saturno crebbe a ritmo serrato sottraendo idrogeno dalla nebulosa solare raggiungendo in circa mille anni 10 volte la massa terrestre e, dopo qualche migliaio di anni, le definitive 95 masse terrestre, mentre il volume è divenuto pari a 744 volte quello terrestre.

Terminato il processo di accrescimento del pianeta per esaurimento dei materiali volatili, i materiali residui, in prevalenza rocciosi, sono andati a costituire il sistema di satelliti del pianeta e la corona degli anelli, che si è così infoltito a seguito della cattura di numerosi altri corpi minori.
Il resto lo conosciamo. La formazione di idrogeno liquido metallico nelle vicinanze del nucleo e gradualmente in gas quanto più ci si sposta dal centro del pianeta.

A questo punto io ho fatto il massimo sforzo per raccontarti le varie spiegazioni. Resta a te decidere a quale dare più credito.

Saturn's_Rings

(fonte: Space.com)

Informazioni su bruce

Ingegnere. Io sono responsabile di quello che dico, non di quello che capisci tu. (Massimo Troisi)
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12 risposte a Saturno: perché è gassoso?

  1. MARGHIAN ha detto:

    Ciao Bruce. Interessante come sempre-anche per Blef😆

    “..una volta che il Sole ha acceso la sua luce, il vento solare avrebbe spazzato via gli elementi più leggeri, come l’idrogeno e l’elio, dalle regioni vicine, lasciando nelle sue vicinanze solo materiali pesanti che hanno dato origine ai mondi rocciosi, Terra compresa”. Pensai proprio a questo, una volta, riflettendo su come si siano formati- e ad una certa distanza- i pianeti giganti. “Riflettendo” non e’ il termine esatto, mi vene anzi spontaneo, parlando con amici dei pianeti. “Forse l’irraggiamento solare di particelle ad altissima energia ha spinto i materiali piu’ volatili tipo l’elio e l’idrogeno, confinandoli ad una certa distanza, e poi li’ si sono formati ad esempio Giove, o Saturno..”. Con mia grande soddisfazionie scoprii poi che c’e una teoria che dice proprio cosi’.

    Ma pianeti giganti “tipo Giove” si trovano ad orbitare vicnisiimi alle loro stelle- madri. Ma non e’ detto che questi pianeti si siano formati dove si trovano ora… Ciao.

    Marghian

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  2. MARGHIAN ha detto:

    Dimenticavo: “Saturno prima ancora che il vento solare spazzasse via gli elementi leggeri si è comportato come un pianeta di accrescimento tanto da contenere un nucleo roccioso, da 10 a 20 volte la massa della Terra, sfuggendo all’attrazione del Sole. Successivamente ha avuto il tempo sufficiente per raccogliere abbastanza idrogeno da trasformarlo in idrogeno metallico liquido”. Concordo.

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  3. bruce ha detto:

    Grazie marghian. Faccio del mio meglio … divertendomi.
    D’altra parte meglio scrivere che essere seduto su una panchina a fare cruciverba o a lamentarsi del governo come fanno tutti i pensionati.

    A differenza di Bleff io sono più per la teoria della frost line.
    Sicuramente il vento solare ha avuto la sua importanza. Lo immagino come una scopa che fa pulizia del materiale leggero. Se così fosse, tutta la “polvere” leggera dovrebbe essere davanti alla scopa, ovvero nella “zona periferica”. La nube primordiale sarebbe stata completamente pulita. Siccome così non è stato, forse la scopa aveva le maglie larghe lasciando dietro di se abbastanza “sporcizia” se è vero che si sono formati pianeti dalle grandi dimensioni, ovvero hanno raccolto molta spazzatura “leggera”. Allora mi domando perchè no la Terra o Marte.

    Più verosimile, credo, è la linea del freddo (che delimita la zona abitabile) dove la Terra a causa dell’alta temperatura ha raccolto tutti i gas che la circondavano formando così la sua atmosfera e in modo particolare l’idrogeno trasformandolo in acqua.
    Gli altri pianeti dopo la cintura degli asteroidi hanno trovato polvere, gas e ghiaccio di idrogeno e metano. Le polveri hanno formato il nucleo, mentre la grande disponibilità delle aggregazioni ghiacciate della nube primordiale sono state ingoiate e trarformate in idrogeno liquido metallico e gassoso.

    Il motivo di questa mia convinzione, giusta o sbagliata, cade sul fatto strano che dopo Nettuno (30 UA) “improvvisamente” non c’è alcun altro pianeta gassoso anche se il vento solare dovrebbe aver trasportato i materiali leggeri fino alle 90 UA. Come se fosssero tutti spariti.
    Bleff direbbe perchè non ci sono più gas e materiali solidi, il che non è vero perchè c’è tutta una serie di altri corpo rocciosi come Plutone, Haumea, Iris ecc. e tanto ghiaccio nello spazio come dimostrato dalle stesse comete provenienti dalla fascia di Kuiper.
    Boh!
    Ciao

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    • bruce ha detto:

      Ultima notizia letta a proposito di idrogeno che certamente non manca nello spazio:
      “Astronomers and students have found a bridge of atomic hydrogen gas 2.6 million light-years long between galaxies 500 million light-years away.”

      http://spaceref.com/astronomy/astronomers-find-stream-of-gas-26-million-light-years-long.html

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      • MARGHIAN ha detto:

        Ciao Bruce. “Linea del freddo” o “frost line”. Il riferimento a questa distanza- e di distanza dal Sole si tratta..- oltre la quale viene favorita la formazione di idrogeno, metano ed ammoniaca allo stato di ghiaccio-planetesimi di ghiaccio!- è molto importante. L’abbondanza di qeusti elementi avrebbe favorito la formazione di pianeti giganti. L’idrogeno, e gli altri elementi leggeri, sarebbero troppo rari nella “zona abitabile” dove si sono formati la Terra, Mercurio, Venere.
        A proposito di Venere e della sua densa atmosfera, l’idrogeno che inizialmente doveva contenere l’atmosfera venusiana ha fatto questa fine. Sotto l’influenza della luce solare, le molecole d’acqua decadono in ossigeno e idrogeno, che si innalzano poi negli strati piu’ alti dove vengono già portate via dal ^vento solare.

        L’idrogeno e gli altri gas portati via in questo modo, hanno forse impedito che un pianeta come Venere diventasse un pianeta gigante, lasciando “a nudo” il nucleo roccioso. Forse i corpi rocciosi che si trovano molto distanti non hanno avuto la massa necessaria a trattenere idrogeno, elio od ammoniaca da foramre strati piu’ leggeri.

        Di un “ponte fra galassie” lessi tempo fa una notizia su “tiscali scienze”. Non ti saprei dire se si riferiva allo stesso caso. Ciao.

        Marghian

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  4. bruce ha detto:

    Caro marghian, i tempi passano e le nuove scoperte mettono a nudo quelle che fino a pochi anni fa le consideravamo certezze.
    Parlo della scoperta degli esopianeti dovuti al potentissimo telescopio ALMA e al telescopio spaziale Kepler.

    Grazie a loro, la verità è che non sappiamo ancora con precisione come i pianeti nascono e poi si evolvono. Sappiamo che hanno la loro genesi nei vasti dischi di polvere e gas chiamati “dischi proto-planetari”; inoltre la comunità scientifica è concorde sul fatto che i pianeti si accumulino intorno alle giovani stelle. Ma esattamente attraverso quale processo si formino e perché lo facciano nel modo, nella posizione e nell’ordine in cui li osserviamo è ancora tutto da chiarire.
    Ancora oggi resta difficile da spiegare come giganti gassosi più grandi di Giove possano trovarsi più vicini alla loro stella di quanto non lo sia Mercurio rispetto al Sole; o ancora come alcuni pianeti abbiano orbite incredibilmente ellittiche o inclinate.

    E’ per questo che la teoria del vento solare mostra tutti i suoi limiti come anche della frost line.
    Un bel casino😆
    Ciao

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  5. MARGHIAN ha detto:

    Ieri ho commentato mettendo il link del mio ultimo post-che hai visto..- ma non mi vedo il commento. L’ho riscritto e…niente. Vediamo se questo appare, ciao.

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  6. bruce ha detto:

    Evidentemente sono andati a schiantarsi su qualche pianeta o forse proprio nel sole😆

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  7. MARGHIAN ha detto:

    O assorbiti da un buco nero🙂

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  8. MARGHIAN ha detto:

    Tu hai trattato Saturno, ed io ho trattato Giove…è cosi’ che va, la vita🙂
    Ciao.

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