Perché i pianeti gassosi non diventano stelle?

Sebbene stelle e pianeti gassosi siano entrambi costituiti prevalentemente di gas e sebbene condividano un simile meccanismo di formazione, solo le stelle riescono ad accendere al loro interno una sorgente di energia e quindi a brillare di luce propria. Perché i pianeti gassosi non vi riescono?

Stellar system — Rappresentazione artistica della formazione di una stella con il suo sistema planetario.

Visti ad occhio nudo, quindi senza l’ausilio di un telescopio, stelle e pianeti nel cielo notturno appaiono simili, cioè come puntini brillanti. Solo i più esperti riescono a notare, come unica differenza, che la luce dei pianeti scintilla meno di quella delle stelle.

Dei sette pianeti del sistema solare (esclusa la Terra) ben cinque sono visibili ad occhio nudo: Mercurio, Venere, Marte, Giove, Saturno, grazie alla combinazione tra vicinanza alla Terra e dimensioni: il più piccolo, Mercurio, è visibile perché vicino, il più lontano, Saturno, è visibile perché molto più grande di Mercurio.

Tuttavia, esiste una differenza fondamentale tra questi due tipi di corpi celesti: le stelle brillano di luce propria, cioè producono energia (termonucleare) che le riscalda e le fa brillare. Invece, i pianeti, non avendo una propria sorgente di energia, brillano di luce riflessa, in quanto illuminati dal Sole ne riflettono la luce.

Le stelle brillano di luce propria, i pianeti di luce (quella del Sole) riflessa dalla loro superficie.

Eppure come vedremo, sia stelle che pianeti gassosi sono prevalentemente costituiti dello stesso gas e si formano in modo simile.

Come nasce una stella

Succede che all’interno delle grandi nubi molecolari (costituite prevalentemente di idrogeno) presenti nel cosmo si inneschi ad un certo punto un processo di collasso. Per processo di collasso intendiamo un processo in cui il gas inizia a concentrarsi in alcuni punti della nube più che in altri. Questo processo generalmente porta alla frammentazione di una parte della nube in tantissimi frammenti (ogni frammento inizialmente ha dimensioni enormi) che porterà, in ultimo, alla formazione di un insieme di stelle neonate. Questi insiemi vengono chiamati ammassi stellari.

Ma focalizziamoci su ciò che succede al singolo frammento di nube.

Nube molecolare — Grande nube molecolare in Orione in cui è in corso la formazione di stelle con i loro pianeti. Credit: NASA

Il gas e le polveri presenti nel singolo frammento di nube iniziano a precipitare verso il centro del frammento per forza di gravità. Qui il gas inizia a concentrarsi per cui aumentano la densità, la pressione e la temperatura. A mano a mano che il gas continua a collassare verso il centro del frammento densità, pressione e temperatura salgono a ritmi sempre più incessanti. Quando finalmente la massa di gas collassato diventa simile a quella del Sole (più precisamente maggiore di 1/10 di quella solare) la temperatura al centro raggiunge i milioni di gradi centigradi.

Queste temperature sono così elevate che innescano al centro di questa massa di gas reazioni di fusione termonucleare di idrogeno in elio con produzione di energia. E’ nata così la stella. La quantità di energia prodotta è tale da iniziare a bilanciare il processo di collasso, per cui la stella raggiunge lentamente una condizione di equilibrio (idrostatico) mantenendo costanti le sue dimensioni.

L'energia prodotta all'interno raggiunge la superficie della stella, dove le elevate temperature (superiori al migliaio di gradi) la fanno brillare rendendola visibile.

Come nasce un pianeta gassoso

La formazione dei pianeti gassosi segue un processo simile a quello delle stelle. Mentre gas e polveri continuano a collassare verso il centro della stella, attorno a questa si forma un disco (sempre di gas e polveri), detto disco protostellare. La massa del disco protostellare è molto inferiore a quella della neo stella. Succede che all’interno di questo disco ci siano delle regioni in cui il gas nuovamente inizia a collassare su se stesso formando degli addensamenti. Questi addensamenti di gas nel disco accrescendosi diventano pianeti gassosi.

Tuttavia, il pianeta, essendo un sottoprodotto della formazione della stella, ha a disposizione molto meno gas, quello che rimane nel disco della stella.

Sebbene al centro del pianeta densità, pressione e temperatura aumentino (per le stesse leggi fisiche per cui sono aumentati nella stella) il pianeta non ha abbastanza massa da raggiungere al suo interno le temperature necessarie a innescare le reazioni di fusione termonucleare, che non si innescheranno mai.

Immagine della stella PDS70 (al centro) con il suo disco di polveri e gas e il suo esopianeta formatosi prima la parte interna del disco evaporasse. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al.

Quindi, a differenza della stella, la massa del pianeta rimane troppo piccola per attirare a se gravitazionalmente altro gas che gli permetterebbe di diventare più massiccio. Ma non solo. La stella che si sta formando, con la sua radiazione, inizia a far evaporare il disco, cioè i gas e le poveri in esso presenti, per cui rapidamente il pianeta rimane senza ulteriore materia prima per crescere.

Ciò che impedisce ai pianeti gassosi di diventare stelle è la loro minore massa. La temperatura centrale dipende dalla massa, e quella dei pianeti non è sufficiente a raggiungere i milioni di gradi necessari a innescare le reazioni termonucleari.

Poiché il pianeta è poco massiccio la pressione interna è sufficiente a bloccare il suo collasso ma non sufficiente a innescare la fusione termonucleare, per cui non può brillare di luce propria.

Quale il confine tra pianeti e stelle

Si dice che Giove sia una stella mancata, cioè se avesse avuto una massa non molto maggiore (circa 10 volte maggiore) avrebbe raggiunto al suo interno temperature sufficienti ad accendere le reazioni nucleari e diventare una stella.

Tra i pianeti gassosi e le stelle più piccole si collocano degli oggetti che vengono chiamati nane brune. Queste hanno masse comprese tra la decina di masse gioviane e 1/10 della massa del Sole.

Nana bruna — Rappresentazione artistica di una nana bruna, cioè un corpo celeste con valori di massa tra quella di un pianeta e quella di una stella. Credit: NASA

Queste sono più massicce dei pianeti gassosi ma comunque sono stelle mancate, non avendo raggiunto la sufficiente massa per l'innesco delle reazioni nucleari. Queste sono destinate via via a raffreddarsi e che già a motivo delle loro piccole dimensioni e della loro luminosità molto bassa sono chiamate nane brune.