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.

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.

(fonte: Space.com)

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