Nei dischi stellari sono stati scoperti oceani di vapor d’acqua disponibili nella formazione dei pianeti

Immense quantità di vapore acqueo sono state osservate dagli astronomi all’interno dei dischi stellari, esattamente nelle regioni del disco dove è in corso o dove si formeranno nuovi esopianeti. L’acqua sui pianeti sembra essere già presente ancor prima della loro formazione.

Si tratta di una sorta di processo circolare quello del progresso della conoscenza. La conoscenza del nostro sistema solare fa da guida nella comprensione degli altri sistemi planetari. Viceversa, ciò che stiamo scoprendo sugli altri sistemi planetari ci permette di capire meglio origine ed evoluzione del nostro sistema solare.

Parlando dell’origine dell’acqua sulla Terra, stavolta il contributo viene dagli altri sistemi planetari.

Per anni ci si è interrogati sull’origine dell’acqua sulla Terra, se essa fosse di origine meteorica, cioè trasportata sulla Terra, successivamente alla sua formazione, a causa del bombardamento da parte di comete ricche di acqua. O, alternativamente, si supponeva che essa fosse stata presente all’interno e poi rilasciata successivamente in superficie.

Le osservazioni dei dischi sta dando un notevole contributo a comprendere l’origine dell’acqua sui pianeti.

Cosa sono i dischi protostellari

I dischi protostellari sono strutture appiattite (per questo motivo sono chiamati dischi) costituite di gas e polveri e che ruotano attorno alla propria protostella. Stella e disco si formano contemporaneamente e, durante i primi milioni di anni di vita, il disco continua a cedere gas e polveri alla stella, accrescendone la massa (per questo motivo sono chiamati dischi di accrescimento).

Tutte le stelle si formano insieme ad un proprio disco di accrescimento. Questo disco ha vita breve e dopo pochi milioni di anni si disperde completamente o si riduce ad un disco di frammenti rocciosi, simili alla fascia di Kuiper del Sistema Solare.

Immagine del disco della stella HL Tau come osservato dal telescopio ALMA. I cerchi più scuri all'interno del disco sono i "gap" all'interno dei quali è probabile la formazione di pianeti e all'interno dei quali è stata osservato vapore d'acqua in grandissime quantità. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

E’ in questo disco di accrescimento che avviene la formazione degli esopianeti. I pianeti gassosi (simili al nostro Giove) si ritiene si formino dal collasso gravitazionale di gas e polveri. La loro formazione all’interno del disco è una versione su scala ridotta della formazione su scala più grande della stella all’interno della sua nube molecolare. I pianeti rocciosi (simili alla Terra) si ritiene si formino prevalentemente per accrezione, cioè a seguito di successivi scontri e fusione tra frammenti rocciosi, fino a formare prima planetesimi e poi oggetti di dimensioni planetarie.

Durante il processo di formazione, l’esopianeta ruotando attorno alla propria stella, “scava” dei veri e propri solchi all’interno del disco. In parole semplici, esso ingloba e in parte spazza via tutto il gas e le polveri che si trovano lungo la propria orbita, lasciando una sorta di anello circolare “vuoto” all’interno del disco..

Questi solchi, chiamati “disk gap”, vengono comunemente osservati nei dischi protostellari. Essi sono una prova indiretta della possibile presenza di un pianeta. Le stelle in cui viene osservato un disco con gap sono le migliori candidate per la scoperta di giovanissimi esopianeti.

Gas, polveri ed acqua gli ingredienti per la formazione

Gli esopianeti si formano con il gas e le polveri presenti nel disco. Pertanto, essi avranno la stessa composizione chimica del disco, o più precisamente, di quella regione del disco in cui si stanno formando (potendo la composizione chimica del disco essere disomogenea).

Strumenti ad alta risoluzione spaziale stanno oggi permettendo di mappare la composizione chimica dei dischi protostellari. Eccezionali sono i risultati che il telescopio ALMA sta ottenendo grazie alle sue osservazioni multibanda nel submillimetrico.

ALMA (Atacama Large Millimiter/submillimiter Array) è un telescopio posizionato in Cile, sulle Ande. Esso è costituito di 66 antenne che possono essere disposte in configurazione diverse. Maggiore è la distanza tra le antenne, maggiore è la risoluzione spaziale con cui il telescopio riesce ad osservare.

Il telescopio osserva in 5 diverse bande spettrali, tutte nella regione del millimetrico e submillimetrico. Una banda in particolare (la Banda 5) è in grado di rilevare la presenza di acqua.

Cosa si è scoperto nel disco di HL Tau

Osservando la giovanissima stella HL Tau - nella costellazione del Toro - gli astronomi, grazie alle potenzialità del telescopio ALMA, hanno scoperto un’immensa quantità di vapore d’acqua o meglio “oceani di vapore acqueo” per usare le parole di Stefano Facchini dell’Università di Milano, primo autore dello studio presentato sulla rivista Nature Astronomy.

La giovane stella HL Tau possiede ancora un suo disco di accrescimento.

Ciò che rende questo risultato eccezionale è anche il fatto che questa immensa quantità di acqua è stata trovata nel disco della stella e, precisamente, in quella zona, “il gap”, in cui probabilmente è in corso la formazione di un esopianeta.

Quindi, viene fuori una chiara evidenza della disponibilità di immense quantità di acqua nel processo di formazione dei pianeti. Questo vapore d’acqua non solo rappresenta una riserva per il neonato pianeta, ma probabilmente gioca un ruolo chiave nello stesso processo di formazione dell’esopianeta.

Ma HL Tau non è il primo caso! Recentemente, anche il telescopio James Webb ha rivelato presenza di acqua nel disco della stella PDS 70. Questa stella, a differenza di HL Tau, possiede con certezza due pianeti, i quali si trovano all’interno del solco che hanno scavato all’interno del disco e dove si trova vapor d’acqua in grandi quantità.

L’elevata risoluzione spaziale del telescopio ha permesso di analizzare la composizione chimica delle varie parti del disco di PDS 70 e quindi di scoprire che l'acqua si trova proprio nella cavità dove si trovano i due pianeti.

Per anni ci si è interrogati sull’origine dell’acqua sulla Terra, se essa fosse di origine meteorica, cioè trasportata sulla Terra successivamente alla sua formazione a causa del bombardamento da parte di comete ricche di acqua. O, alternativamente, si supponeva che essa fosse stata presente all’interno e poi rilasciata successivamente in superficie.

Queste osservazioni di sistemi extrasolari sono preziose in quanto ci dicono molto su quella che potrebbe essere stata l’origine dell’acqua sulla Terra.