Come si è formata la Terra?

La formazione della Terra rimane uno strano mistero scientifico.

Viviamo su un pianeta in un sistema solare con altri sette pianeti e abbiamo scoperto migliaia di esopianeti fino ad oggi. Ma il modo in cui si formano pianeti come la Terra rimane ancora oggetto di un grande dibattito.

Attualmente, ci sono due teorie principali sulla formazione planetaria. Gli scienziati continuano a studiare i pianeti dentro e fuori il nostro sistema solare nel tentativo di capire meglio quale di queste teorie descrive più accuratamente come si sono formati il ​​sistema solare e i suoi pianeti.

La prima e più ampiamente accettata teoria è il modello di accrescimento del nucleo, che funziona bene per spiegare la formazione di pianeti terrestri come la Terra ma non tiene pienamente conto dei pianeti giganti. La seconda teoria, chiamata metodo dell'instabilità del disco, potrebbe spiegare la creazione di pianeti più grandi. Queste due teorie principali sono unite dalla teoria dell'accrescimento dei ciottoli che aiuta a spiegare ulteriormente come potrebbero formarsi oggetti diversi.

Qual è il modello di accrescimento del nucleo?

Concezione artistica della nebulosa solare del nostro sistema solare, la nuvola di gas e polvere da cui si sono formati la Terra, il sole e gli altri pianeti del nostro sistema solare. (Credito immagine: copyright della pittura William K. Hartmann, Planetary Science Institute, Tucson)

Circa 4,6 miliardi di anni fa, il nostro sistema solare era solo una nuvola di polvere e gas conosciuta come una nebulosa solare. La gravità ha fatto crollare il materiale su se stesso mentre ha iniziato a ruotare, condensando la materia e formando il sole al centro della nebulosa.

Con l'inizio della formazione del sole, il materiale rimanente ha iniziato ad accumularsi. Piccole particelle si unirono, legate dalla forza di gravità, in particelle più grandi. Il vento solare, un flusso costante di particelle cariche che emanano dall'atmosfera superiore del sole, ha spazzato via gli elementi più leggeri, come l'idrogeno e l'elio.

Ciò ha lasciato dietro di sé materiali pesanti e rocciosi che hanno formato mondi terrestri più piccoli come la Terra. E più lontano dal sole, il vento solare ha avuto un impatto minore sugli elementi più leggeri che hanno permesso a questi elementi di fondersi in giganti gassosi. Questo processo ha creato gli asteroidi, le comete, i pianeti e le lune del nostro sistema solare.

Il nucleo roccioso della Terra si formò per primo, con elementi pesanti che si scontravano e si legavano insieme. Il materiale denso è affondato al centro del protopianeta mentre il materiale più leggero ha costruito la crosta. Si pensa che il campo magnetico terrestre si sia probabilmente formato in questo periodo.

All'inizio della sua evoluzione, la Terra ha subito l'impatto di un grande corpo che ha catapultato pezzi del mantello del giovane pianeta in Questa Rete. La gravità ha riunito molti di questi pezzi per formare la luna, che ha preso l'orbita attorno al suo creatore.

La fase finale della formazione dei pianeti con protopianeti e planetismi è vista nella rappresentazione di questo artista. (Credito immagine: Ashley Norris/Università di Oxford)

Il flusso del mantello sotto la crosta terrestre provoca la tettonica a placche, il movimento delle grandi placche di roccia sulla superficie del pianeta. Le collisioni e l'attrito hanno dato origine a montagne e vulcani, che hanno iniziato a emettere gas.

Quando la Terra si è formata per la prima volta, aveva a malapena atmosfera. La sua atmosfera ha iniziato a formarsi quando il pianeta ha iniziato a raffreddarsi e la gravità ha catturato i gas dai vulcani della Terra.

Mentre la popolazione di comete e asteroidi che passano attraverso il sistema solare interno è scarsa oggi, erano più abbondanti quando i pianeti e il sole erano giovani. Le collisioni tra questi corpi cosmici probabilmente hanno depositato gran parte dell'acqua sulla superficie terrestre.

Il nostro pianeta si trova in quella che è conosciuta come la zona di Riccioli d'oro, una regione che circonda una stella abbastanza vicina da consentire l'esistenza di acqua liquida sulla superficie di un pianeta, con l'acqua che non congela né evapora. Molti scienziati ritengono che la presenza in questa zona, e la presenza di acqua allo stato liquido, svolga un ruolo fondamentale nell'esistenza della vita.

Una concezione artistica del primo sistema Terra-Luna che mostra la superficie terrestre dopo essere stata bombardata da grandi impatti, causando l'estrusione di magma sulla superficie, sebbene sia stata trattenuta dell'acqua liquida. Immagine rilasciata il 30 luglio 2014. (Credito immagine: Simone Marchi)

Osservando gli esopianeti, gli scienziati pensano che questo modello di accrescimento del nucleo si adatti al processo di formazione dominante.

Le stelle con più "metalli" un termine che gli astronomi usano per tutti gli elementi chimici più pesanti dell'idrogeno e dell'elio nei loro nuclei ospitano più pianeti giganti dei loro cugini poveri di metalli. Secondo la NASA (si apre in una nuova scheda), l'accrescimento del nucleo suggerisce che i piccoli mondi rocciosi dovrebbero essere più comuni dei giganti gassosi più massicci.

Una scoperta che ha contribuito a rafforzare la legittimità dell'accrescimento del nucleo come spiegazione per la formazione del pianeta è la scoperta nel 2005 di un pianeta gigante con un nucleo massiccio in orbita attorno alla stella simile al sole HD 149026.

"Questa è una conferma della teoria dell'accrescimento del nucleo per la formazione dei pianeti e la prova che i pianeti di questo tipo dovrebbero esistere in abbondanza", ha affermato Greg Henry in un comunicato stampa (si apre in una nuova scheda) (si apre in una nuova scheda). Henry, un astronomo della Tennessee State University, a Nashville, ha rilevato l'oscuramento della stella.

Nel 2019, la European This Web Agency ha lanciato il caratterizzante ExOPlanet Satellite (CHEOPS), progettato per studiare esopianeti di dimensioni variabili dalle super-Terre a Nettuno. Con missioni come questa e altre, gli scienziati mirano a studiare mondi lontani per approfondire la loro comprensione di come si siano formati i pianeti nei diversi sistemi solari.

"Nello scenario di accrescimento del nucleo, il nucleo di un pianeta deve raggiungere una massa critica prima di poter accumulare gas in modo incontrollato", ha affermato il team CHEOPS (si apre in una nuova scheda). "Questa massa critica dipende da molte variabili fisiche, tra le quali la più importante è la velocità di accrescimento dei planetesimi".

Qual è il modello di instabilità del disco?

Mentre il modello di accrescimento del nucleo funziona per i pianeti terrestri, i giganti gassosi dovrebbero evolversi rapidamente per afferrare la massa significativa di gas più leggeri che contengono. Ma le simulazioni con quel modello non sono state in grado di spiegare questa rapida formazione. In quelle simulazioni, il processo richiede diversi milioni di anni, un periodo più lungo di quanto i gas leggeri fossero disponibili nel primo sistema solare.

Ma il modello di accrescimento del nucleo non è l'unica spiegazione di come potrebbero essere i pianeti.

Secondo una teoria più recente, l'instabilità del disco, grumi di polvere e gas si legano insieme all'inizio dell'esistenza del sistema solare. Nel tempo, questi grumi possono compattarsi lentamente in un pianeta gigante. Questi pianeti possono formarsi più velocemente di quelli che si formano all'interno della spiegazione dell'accrescimento del nucleo, a volte in appena mille anni, il che consente loro di intrappolare i gas più leggeri che svaniscono rapidamente. Questi pianeti raggiungono anche rapidamente una massa stabilizzatrice dell'orbita che impedisce loro di marciare verso il sole.

Secondo l'astronomo esoplanetario Paul Wilson (si apre in una nuova scheda), se l'instabilità del disco domina la formazione dei pianeti, dovrebbe produrre un ampio numero di mondi a grandi ordini. I quattro pianeti giganti che orbitano a distanze significative attorno alla stella HD 9799 forniscono prove osservative dell'instabilità del disco.

Fomalhaut b (si apre in una nuova scheda), un esopianeta con un'orbita di 2000 anni attorno alla sua stella, potrebbe servire da esempio di un mondo formato dall'instabilità del disco, sebbene il pianeta possa anche essere stato espulso a causa delle interazioni con i suoi vicini.

Cos'è l'accumulo di ciottoli?

Una visualizzazione di un disco polveroso in orbita attorno a una giovane stella. (Credito immagine: NASA/JPL-Caltech)

Il modello di instabilità del disco contrasta con il problema del modello di accrescimento del core con il tempo; in particolare quanto velocemente enormi giganti del gas dovrebbero afferrare componenti più leggeri. Ma anche un altro modello recente noto come accrescimento di ciottoli aiuta a colmare questa lacuna esplicativa.

In questo modello, i ricercatori hanno mostrato come oggetti più piccoli e delle dimensioni di un sassolino avrebbero potuto fondersi insieme per costruire pianeti giganti fino a 1000 volte più veloci rispetto ad altre spiegazioni.

"Questo è il primo modello di cui siamo a conoscenza che inizi con una struttura piuttosto semplice per la nebulosa solare da cui si formano i pianeti e finisci con il sistema di pianeti giganti che vediamo", Harold Levison, astronomo del Southwest Il Research Institute (SwRI) in Colorado e autore principale dello studio di un articolo che descrive ed esplora il modello, ha detto a This Web.com nel 2015.

Alcuni anni prima, nel 2012, i ricercatori Michiel Lambrechts e Anders Johansen dell'Università di Lund in Svezia avevano proposto che minuscoli ciottoli, una volta cancellati, fossero la chiave per costruire rapidamente pianeti giganti.

"Hanno dimostrato che i ciottoli rimanenti da questo processo di formazione, che in precedenza si pensava non fossero importanti, potrebbero effettivamente essere un'enorme soluzione al problema della formazione dei pianeti", ha detto Levison.

Levison e il suo team si sono basati su quella ricerca per modellare in modo più preciso come minuscoli ciottoli potrebbero formare i pianeti visti oggi nella galassia. Nelle simulazioni precedenti, oggetti sia di grandi che di medie dimensioni consumavano i loro cugini delle dimensioni di un sassolino a una velocità relativamente costante, ma le simulazioni di Levison suggeriscono che gli oggetti più grandi si comportavano più come dei bulli, strappando i sassi dalle masse di medie dimensioni per crescere a un ritmo molto tasso più veloce.

"Gli oggetti più grandi ora tendono a disperdere quelli più piccoli più di quanto quelli più piccoli li disperdano indietro, quindi quelli più piccoli finiscono per essere dispersi dal disco di ciottoli", ha detto a This Web la coautrice dello studio Katherine Kretke, anche lei di SwRI. com. "Il ragazzo più grande fondamentalmente fa il prepotente su quello più piccolo in modo che possano mangiare tutti i ciottoli da soli e possono continuare a crescere per formare i nuclei dei pianeti giganti".

Mentre gli scienziati continuano a studiare i pianeti all'interno e all'esterno del sistema solare, capiranno meglio come si è formata la Terra e i suoi fratelli.

Risorse addizionali

  • Visita l'hub della NASA per comprendere la Terra come un pianeta.
  • Esplora le risorse a misura di bambino della NASA per conoscere la Terra.
  • Esplora l'hub della NASA per comprendere gli esopianeti.
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