Il collasso di una nube molecolare rotante porta alla formazione di un grande disco sostenuto rotazionalmente se vengono rimossi i granelli di polvere molto piccoli (b). La forte frenata magnetica in presenza di grani molto piccoli inibisce la formazione di un disco protostellare (a). Crediti: MPE
Un gruppo internazionale di scienziati, tra cui l’astrofisica italiana Paola Caselli, direttrice dell’Istituto Max Planck per la fisica extraterrestre (MPE) a Garching, in Germania, ha scoperto il “trucchetto” grazie al quale i dischi protostellari, formati da gas e polveri, stabilizzano la loro rotazione attorno alla stella in formazione, insensibili all’effetto frenante del campo magnetico. Secondo il loro studio, in pubblicazione su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, i modelli teorici attuali sui dischi protostellari non tengono conto della progressiva scomparsa dal loro interno dei grani di polvere più piccoli, addensati in particelle di taglia maggiore.
«È sorprendente scoprire come la rimozione dei grani di polvere più piccoli può evitare la cosiddetta “catastrofe magnetica frenante” nella formazione del disco», commenta Caselli. «Questo studio è un passo avanti nella comprensione di come si formano i dischi protoplanetari. Allo stesso tempo, dimostra che la chimica e microfisica sono cruciali per i processi fondamentali che governano la formazione di stelle e pianeti».
La dinamica del disco protostellare è una questione fondamentale sia per l’accrescimento delle stelle che per la successiva, eventuale, formazione di un sistema planetario attorno a loro. Prima di diventare un stella vera e propria, un astro passa per la cosiddetta fase di protostella, dove acquisisce progressivamente massa a partire dal collasso gravitazionale di una nube molecolare di gas e polveri.
Questa immagine ottenuta dal radiotelescopio ALMA mostra il disco protoplanetario che circonda la giovane stella HL Tauri. Sono individuabili anche le posizioni di possibili pianeti, in formazione nelle macchie scure all’interno del sistema. Crediti: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
L’accrescimento della protostella è mediato da un circostante disco di gas e polveri, allineato con l’equatore e messo in rotazione da meccanismi di conservazione del momento angolare. I “residui” del disco protostellare vanno poi a costituire il disco protoplanetario da cui possono eventualmente prendere origine pianeti, prima che il disco venga spazzato via dalla radiazione della stella appena accesa.
Tuttavia, i modelli teorici che utilizzano i principi fisici della magneto-fluidodinamica ideale (MHD) mostrano che tali dischi non potrebbero restare in equilibrio gravitazionale a lungo, subendo l’effetto frenante del campo magnetico, che trasferisce quantità di moto angolare dal centro del disco verso l’esterno.
«Il problema sono i grani di polvere molto piccola; se sono assenti, otteniamo un disco sostenuto rotazionalmente, cioè abbastanza stabile da poter formare stelle e pianeti», spiega Bo Zhao del MPE, primo autore del nuovo studio. «Questi piccoli granelli, che si caricano facilmente di elettricità assorbendo ioni ed elettroni, sono efficaci sia ad accoppiarsi con il campo magnetico che a collidere con le molecole circostanti. In altre parole, a causa di questi piccoli granelli la materia elettricamente neutra risulta ancora relativamente ben accoppiata al campo magnetico. Tuttavia, se li togliamo, i grani più grandi non si accoppiano nel modo più efficace e la materia neutra della nube può fluire molto più velocemente attraverso le linee di campo magnetico, dando finalmente origine a un disco con sufficiente supporto rotazionale».
Nel grafico a sinistra, distribuzione di densità in una nube di gas collassante per la distribuzione standard di granulometrie. Anche se c’è una concentrazione verso il centro, il disco non risulta rotazionalmente abbastanza stabile per formare stelle e pianeti. Nel grafico di destra sono stati tolti i grani più piccoli: l’influsso sulla quantità di moto angolare conduce a un disco sostenuto rotazionalmente molto più grande. Crediti: MPE
Le nubi molecolari interstellari sono costituite da grani di polvere e gas, con una distribuzione “standard” di granulometrie dove sono ampiamente rappresentate le dimensioni nanometriche. Tuttavia, secondo i ricercatori, una tale distribuzione delle dimensioni non può rappresentare la parte più densa delle nubi molecolari, e recenti osservazioni con i radiotelescopi hanno evidenziato la carenza di granelli con dimensione inferiore a pochi nanometri nelle nubi molecolari dense.
«Quando i granelli assumono dimensioni grosso modo superiori a 0.1 micrometri, i dischi sostenuti rotazionalmente possono diventare abbastanza massicci da essere auto-gravitanti ed evolvere quindi ad anelli», conclude Zhao. «Tale struttura può facilmente frammentarsi in sistemi stellari multipli, il che può anche aiutare a spiegare l’alta presenza di stelle multiple nella nostra Via Lattea».
Per saperne di più:
- Protostellar Disk Formation Enabled by Removal of Small Dust Grains, di Bo Zhao, Paola Caselli, Zhi-Yun Li, Ruben Krasnopolsky, Hsien Shang e Fumitaka Nakamura, in pubblicazione su MNRAS