Perché Nettuno e Urano sono diversi

Pensiamo a Urano e Nettuno quasi come gemelli. In un certo senso, sono molto simili. Ma un nuovo studio condotto dai ricercatori di PlanetS spiega perché, in alcuni aspetti, sono anche radicalmente diversi.

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Tendiamo a raggruppare Urano e Nettuno insieme nei nostri pensieri, quasi come se fossero mondi gemelli. Hanno quasi le stesse dimensioni – più grandi della Terra, ma più piccoli di Giove o Saturno – ed entrambi sono bluastri o verde bluastro, con atmosfere profonde e cuori gelati.

Ma, sebbene superficialmente simili, Urano e Nettuno sono davvero abbastanza diversi. Sono più diversi l’uno dall’altro di quanto la maggior parte della gente pensi. E, sebbene le loro differenze non siano ancora state completamente spiegate, ora sembra che la chiave potrebbe essere nelle collisioni con corpi di dimensioni planetarie avvenute ai primordi del sistema solare.

I ricercatori del Centro nazionale di competenza in Research PlanetS (PlanetS) dell’Università di Zurigo in Svizzera hanno eseguito simulazioni al computer per esplorare il ruolo delle collisioni nel modellare le differenze tra Urano e Nettuno. I risultati sono stati annunciati da PlanetS il 4 febbraio 2020, con il relativo documento di ricerca pubblicato per la prima volta il 22 novembre 2019.

Urano e Nettuno sono i due pianeti maggiori conosciuti più distanti nel nostro sistema solare. Entrambi sono ora considerati giganti del ghiaccio. Entrambi sono fondamentalmente diversi dai grandi giganti gassosi Giove e Saturno e dai piccoli mondi rocciosi come la Terra. Urano e Nettuno hanno masse e composizioni interne simili. Le loro atmosfere esterne sono composte da idrogeno, elio e metano, mentre i loro mantelli sono una combinazione di ghiaccio d’acqua, ammoniaca e metano e i loro nuclei sono un mix di roccia e ghiaccio.

Urano tende ad avere un aspetto più blando di Nettuno ed è per lo più senza nuvole. L’atmosfera di Nettuno ha bande più scure di quella di Urano, con strisce e nuvole bianche, oltre a un grande “punto oscuro“.

Ma ci sono anche differenze più significative tra i due mondi e i ricercatori volevano sapere perché. Secondo una dichiarazione di Christian Reinhardt , uno dei membri di PlanetS:

…Ci sono anche notevoli differenze tra i due pianeti che richiedono spiegazioni“.

Cerchi colorati che rappresentano le collisioni di pianeti, uno ad angolo e uno frontale.

Diagramma raffigurante la formazione di Urano e Nettuno e come si sono evoluti in modo diverso a causa degli impatti di altri grandi oggetti nel primo sistema solare. Immagine via Reinhardt & Helled / ICS / Università di Zurigo / PlanetS .

Un altro membro del team, Joachim Stadel, ha sottolineato che, a differenza di Nettuno e della Terra e della maggior parte degli altri principali pianeti del nostro sistema solare, Urano non ruota attorno ad un asse che è quasi perpendicolare rispetto al piano della sua orbita. Urano e i suoi principali satelliti sono inclinati di circa 97 gradi sul piano solare e il pianeta ruota retrogrado rispetto al Sole.

Un’altra differenza chiave è che le lune più grandi di Urano sono in orbite stabili che sono allineate con l’inclinazione del pianeta. Ma la più grande luna di Nettuno, Tritone, fa il giro del pianeta in un’orbita molto inclinata.

Queste differenze suggeriscono che le lune di Urano si formarono dallo stesso disco di polvere e gas del pianeta stesso, mentre Tritone era probabilmente una volta un oggetto separato catturato dalla gravità di Nettuno.

Secondo i ricercatori, queste e altre differenze indicano diversi tipi di impatti che hanno colpito i due pianeti molto tempo fa.

Piccola Terra accanto al grande Nettuno blu su sfondo nero.

Confronto dimensionale di Terra e Nettuno. Secondo il nuovo studio, oggetti con circa 1-3 masse terrestri si sono scontrati con Urano e Nettuno dopo la loro formazione. Urano fu appena sfiorato, mentre Nettuno subì un impatto frontale. Immagine via NASA / Sky & Telescope .

I ricercatori hanno eseguito simulazioni al computer per esplorare una gamma di diverse possibili collisioni su entrambi i pianeti. Dal documento:

Nonostante molte somiglianze, ci sono significative differenze osservate tra Urano e Nettuno: mentre Urano è inclinato e ha una serie regolare di satelliti, il che suggerisce che derivino da un comune disco di accrescimenti, le lune di Nettuno sono irregolari e sono oggetti catturati. Inoltre, Nettuno sembra avere una fonte di calore interna, mentre Urano è in equilibrio con l’isolamento solare. Infine, i modelli di struttura basati sui dati di gravità suggeriscono che Urano è condensato più centralmente di Nettuno. Eseguiamo una vasta gamma di simulazioni SPH ad alta risoluzione per studiare se queste differenze possono essere spiegate da impatti giganteschi.

Per Urano, scopriamo che un impatto obliquo può avere inclinato il suo asse di rotazione ed espulso abbastanza materiale per creare un disco in cui si sono formati i satelliti. Alcuni dei dischi sono abbastanza grandi ed estesi e sono costituiti da abbastanza materiale roccioso per spiegare la formazione dei satelliti di Urano.

Per Nettuno, indaghiamo se una collisione frontale potrebbe avere rimescolato l’interno… Scopriamo che proiettili massicci e densi possono essere penetrati verso il centro e avere depositato massa ed energia nel nucleo, portando a un interno meno concentrato centralmente per Nettuno.

Concludiamo che la dicotomia tra i giganti di ghiaccio può essere spiegata da impatti violenti dopo la loro formazione“.

Come un altro membro del team, Alice Chau , ha osservato: “spesso si presume che entrambi i pianeti si siano formati in modo simile, ma questi risultati mostrano che le loro formazioni – o almeno la loro storia molto antica – non sono state così simili come pensavamo“.

Pianeta fasciato blu con grande, stranamente strutturata luna in primo piano, su sfondo nero.

Nettuno e la sua luna più grande, Tritone, la cui orbita è molto inclinata. L’orbita di Tritone suggerisce che fu catturato dalla gravità di Nettuno. Nel frattempo, le lune di Urano probabilmente si sono formate nello stesso disco di gas e polvere di Urano. Immagine via NASA / JPL / USGS / Astronomia .

In uno scenario, in cui Urano e Nettuno iniziano la loro storia come oggetti simili, si è scoperto che un impatto con un corpo di una o tre masse terrestri potrebbe spiegare le differenze che vediamo oggi. Se l’oggetto avesse appena sfiorato Urano invece di una collisione frontale, l’interno del pianeta non sarebbe stato influenzato, ma l’impatto sarebbe stato comunque sufficiente per inclinare il pianeta.

Al contrario, se Nettuno avesse subito un impatto frontale, la collisione avrebbe influenzato l’interno del pianeta ma non avrebbe formato un disco di detriti. Questo spiegherebbe perché Nettuno non ha grandi lune in orbite regolari. Un grande flusso di calore su Nettuno indica anche che l’interno è stato rimescolato da una massiccia collisione.

Le simulazioni mostrano come i due pianeti probabilmente all’inizio della loro formazione erano molto simili, ma diversi tipi di collisioni li alterarono in modo significativo. Come ha detto il membro del team Ravit Helled: “Mostriamo chiaramente che un percorso di formazione inizialmente simile per Urano e Nettuno può portare alla dicotomia osservata nelle proprietà di questi affascinanti pianeti esterni“.

Viste in spaccato di quattro globi con annotazioni di testo su sfondo nero.

Confronto tra le strutture interne dei 2 giganti gassosi, Giove e Saturno, e i 2 giganti del ghiaccio, Urano e Nettuno. La Terra è in scala. Immagine via NASA / Lunar and Planetary Institute.

I risultati di questo studio mostrano come eventi casuali – come collisioni planetarie con altri grandi corpi nel primo sistema solare – possano influenzare decisamente l’evoluzione futura di un pianeta. Urano e Nettuno sono i mondi che vediamo oggi a causa di tali eventi, dice questo studio.

E se nessuno dei due pianeti fosse stato colpito? Come sarebbero questi giganti del ghiaccio oggi in tali circostanze? Non sappiamo, ma saperne di più su come avrebbero potuto essere colpiti aiuterà gli scienziati a comprendere meglio la formazione di questi tipi di pianeti, così come per i giganti gassosi come Giove e Saturno ed i mondi rocciosi come Terra, Marte, Venere, e mercurio.

Con una migliore comprensione di come si sono formati ed evoluti i pianeti nel nostro sistema solare, possiamo quindi applicare tale conoscenza allo studio dei mondi in sistemi solari distanti.

Fonte: PlanetS