Attività di ricerca in Astrofisica: Planetologia · IL SISTEMA SOLARE Sistema costituito da una stella centrale (il Sole), da otto pianeti che le orbitano intorno, e da altri corpi

Attività di ricerca in Astrofisica:

Planetologia

Vincenzo Orofino

VIII Scuola Estiva di Fisica

2015

IL SISTEMA SOLARE

Sistema costituito da una stella centrale (il Sole), da otto pianeti

che le orbitano intorno, e da altri corpi minori.

IL SISTEMA SOLARE – Posizione nella Galassia

I PIANETI (fino al 2006)

Corpi posti in orbita intorno al Sole, aventi forma regolare e

raggio maggiore di 1000 km (vecchia definizione).

Numero di pianeti: 9 - Plutone incluso

I PIANETI (dopo il 2006)

Si adotta una nuova definizione di pianeta (vedi in seguito).

Numero di pianeti: 8 - Plutone classificato come planetoide

X

I CORPI MINORI

Corpi (planetoidi, satelliti dei pianeti, asteroidi, comete e

meteoroidi) di dimensioni minori rispetto a quelle dei pianeti.

I CORPI MINORI – Caratteristiche orbitali

A parte i satelliti,

si raggruppano

nella Fascia

Principale (zona

di separazione tra

Sistema Solare

interno ed

esterno) e nella

Fascia di Kuiper

e Nube di Oort.

I PIANETI – Caratteristiche orbitali

Sono suddivisi in pianeti interni (terrestri) e pianeti esterni

(giganti).

I PIANETI – Caratteristiche orbitali

• Bassa eccentricità (e << 1), a parte Mercurio (e 0.2)

• Quasi complanarità con l’orbita terrestre, a parte Mercurio

(i 7°)

• Rotazione orbitale diretta (prograda), senza eccezioni,

come molte comete e tutti gli asteroidi conosciuti.

I PIANETI – Caratteristiche fisiche

• Tutti mostrano all’osservazione telescopica dimensioni

angolari finite.

• Tutti possiedono satelliti (eccetto Mercurio e Venere);

alcuni hanno sistemi di anelli.

• Tutti sono dotati di atmosfera stabile (eccetto Mercurio).

• I pianeti terrestri (rocciosi, con pochi satelliti e privi di

anelli) sono separati da quelli giganti (principalmente

gassosi, con molti satelliti e dotati di anelli) dalla Fascia

degli asteroidi.

I PIANETI – Caratteristiche fisiche

Inclinazioni assiali

NOTA: contrariamente alle aspettative, i pianeti terrestri hanno

basse inclinazioni assiali

I PIANETI – Estrema peculiarità di Plutone

• per massa, dimensioni e periodo di rotazione assiale, rispetto ai

pianeti esterni;

• per densità, inclinazione assiale e numero di satelliti, rispetto ai

pianeti interni;

• per tipo di atmosfera e per inclinazione ed eccentricità

dell'orbita, rispetto a tutti i pianeti.

Necessità di classificare Plutone (antico satellite di Nettuno?)

come planetoide o pianeta nano.

FORMAZIONE DEL SISTEMA SOLARE

Oltre alle stelle, nella Galassia sono presenti nubi di gas e polvere

dette nebulose.

Il gas è composto da idrogeno (89%), elio (10%) ed altri elementi

in tracce (carbonio, azoto, ossigeno).

La polvere è costituita da piccole particelle (grani) composte da

silicati e materiali carboniosi.

La nebulosa originaria e le altre nebulose

M16 nella costellazione

del Serpente

M16 nella costellazione del Serpente

La densità della nube non è omogenea: a causa delle fluttuazioni

casuali di densità, si creano addensamenti di materia che, per

effetto della gravità, iniziano ad attrarre la materia circostante,

accrescendosi rapidamente.

In breve tempo la nube si

disgrega in genere in tanti

frammenti in contrazione.

In uno di questi frammenti

(nebulosa presolare) la materia

“cade” verso l’addensamento

centrale da cui si forma il Sole.


Il collasso della nebulosa originaria


Dal disco protoplanetario ai pianeti

1) Collasso della nube presolare

2) Formazione del disco proto-

planetario (con il protoSole

al centro)

3) Formazione dei planetesimi

(per aggregazione dei grani

di polvere)

4) Formazione degli embrioni

planetari (per aggregazione

dei planetesimi)

5) Formazione dei pianeti (per

cattura dei planetesimi da

parte degli embrioni).


Migrazioni planetarie


Circa 109 anni dopo la loro formazione Urano e Nettuno sono

migrati verso l’esterno e Nettuno ha superato Urano diventando

il pianeta più esterno.

Si definisce “pianeta” un corpo che:

a) orbita intorno al Sole;

b) ha massa sufficiente per assumere una forma regolare (quasi

sferica);

c) ha “ripulito” da altri corpi le regioni limitrofe alla sua orbita.

Si definisce “pianeta nano” o “planetoide” un corpo che

soddisfa le condizioni (a) e (b) ma non la (c).

Un pianeta nano è membro di una fascia di corpi da cui non si

sono mai formati pianeti.

Nuova definizione di pianeta (Risoluzione 5A dell’Assemblea Generale IAU 2006)


I CORPI MINORI

I PIANETI NANI

I CORPI MINORI

Vengono

catalogati

tra i corpi

minori

anche i

grandi

satelliti, in

quanto in

orbita

intorno a

un corpo

diverso

dal Sole.

IL PIANETA MARTE

Marte osservato dall’Hubble Space Telescope

La superficie di Marte

ripresa dal MER03 Spirit

• Precipitazioni (pioggia o neve) impossibili.

• Acqua allo stato liquido instabile in superficie

(solidifica e poi sublima molto rapidamente);

suolo molto secco.

CONDIZIONI CLIMATICHE ATTUALI

• Temperatura superficiale media globale: 60° C

• Pressione atmosferica al suolo (95% CO2): 7 mbar

• Pressione parziale del vapor acqueo: 0.002 mbar

– CONDIZIONI CLIMATICHE PASSATE:

Temperatura superficiale e pressione

atmosferica al suolo sufficientemente alte da

permettere la presenza di acqua allo stato

liquido?

CONDIZIONI CLIMATICHE ATTUALI:

Marte gelido deserto.

Sistemi di canali dendritici

Cratere

paleolacustre

in

Memnonia

Cratere Gusev e Ma’adim Vallis

Topografia 3D del sistema

Cratere Gusev - Ma’adim Vallis

Oceanus Borealis

Riepilogo indizi geologici:

• Presenza di parecchi canali, ossia solchi incisi nel terreno

che sembrano essersi formati nel passato per l’attività di

qualche tipo di acqua corrente (canali diversi da quelli di

Schiaparelli).

• Presenza di bacini di aspetto paleolacustre.

• Presenza di bassipiani probabilmente occupati da un

antico oceano marziano (Oceanus Borealis).

Suggerimento da tutti gli indizi di varia natura:

grandi quantità di acqua liquida presenti nel passato su

Marte e quindi (stante l’estrema instabilità attuale) clima

passato completamente diverso da quello odierno.

EVOLUZIONE CLIMATICA DEL PIANETA

Primo miliardo di anni (4.6 Ga t 3.5 Ga):

Atmosfera densa

attività vulcanica in grado di compensare le perdite di CO2

dovute alla fuga verso lo spazio

Effetto serra rilevante

superficie riscaldata oltre il punto di fusione del ghiaccio

Condizioni climatiche relativamente calde ed umide

Atmosfera rarefatta

ridotta attività vulcanica non più in grado di compensare le

perdite di CO2

Effetto serra insufficiente

Condizioni climatiche fredde e secche

EVOLUZIONE CLIMATICA DEL PIANETA

Periodi successivi (t 3.5 Ga):

Marte oggi

Marte ieri?

IPOTESI ALTERNATIVA

Clima marziano sempre simile all’attuale

Origine dei canali:

cedimento strutturale del terreno dovuto a sorgenti idrotermali

Origine delle terrazze:

non erosionale (ad es. sovrapposizione di strati di lava solidificata)

Interpretazione delle analisi fisico-chimiche:

risultati non incompatibili con la passata esistenza sul pianeta di

moderate quantità di acqua liquida per brevi periodi di tempo

CONCLUSIONE:

la storia climatica del pianeta rimane ancora incerta.

Carbonati e Argille: sostanze molto diffuse sulla Terra dove

spesso danno origine a depositi presenti in forma compatta

(rocce) o incoerente (sabbie) sul fondo dei laghi e dei mari.

Calcite - Carbonato di calcio Deposito di argilla

IMPORTANZA DEI CARBONATI

E DELLE ARGILLE

Presenza di depositi carbonatici e/o argillosi in particolari

aree marziane.

Antica e duratura presenza d’acqua liquida in tali aree (la

genesi di questi depositi richiede un ambiente acquoso in

cui avvenga la lenta formazione dei carbonati e delle

argille).

Paleoclima di Marte molto diverso da quello attuale e in

grado di permettere la stabilità dell’acqua allo stato

liquido.

Lo spettrometro PFS

(ESA - Mars Express)

Lo spettrometro CRISM

(NASA - Mars Reconnaissance

Orbiter)

Confronto

LINEE DI RICERCA A LECCE

• Progettazione e realizzazione dello spettrometro PFS

[conclusa]

• Ricerca di aree marziane che sembrano più promettenti

per l'individuazione di depositi paleolacustri [conclusa]

• Analisi spettrale in laboratorio di carbonati ed argille in

varie condizioni fisiche [in atto]

• Confronto degli spettri sintetici (ottenuti dai dati

sperimentali tramite modelli di trasporto radiativo) con

gli spettri delle aree marziane da noi selezionate, ottenuti

dal PFS e dal CRISM [in atto]

Posizione dei siti sulla superficie marziana

Orofino V., et al. (2009) Icarus, 200, 426

Sito N.12 – Sistema complesso

Sito N.20 – Sistema semplice

Orofino V., et al. (2009) Icarus, 200, 426

RISULTATI OTTENUTI

Le bande a 1.4, 1.9 e 2.3 mm

micron sono visibili negli

spettri CRISM.

Nelle aree esaminate sono

presenti depositi argillosi

Roush, T.L., et al. (2011), Icarus, 214, 240

CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI

Nei siti analizzati era un tempo effettivamente presente acqua

allo stato liquido per un tempo abbastanza lungo da permettere la

formazione dei depositi argillosi (incerta però l’esistenza di un

vero e proprio lago).

Nell’immediato futuro verranno analizzati altri bacini della

nostra lista per vedere che anch’essi ospitano depositi argillosi.

In caso positivo si avranno importantissime implicazioni sul

paleoclima marziano (ed anche terrestre) e sulla possibilità di

vita sul pianeta.

The Solar System

https://www.youtube.com/watch?v=Uk6Z37uZ0WI

A Tour through our Solar System

https://www.youtube.com/watch?v=evWeRHMwSu0

Documentari Astronomia - I misteri di Marte

L'esplorazione del pianeta rosso

https://www.youtube.com/watch?v=MWPHUfW39fI

Sonda lanciata nel 2004 verso la cometa Churyumov-Gerasimenko

LE COMETE Missione Rosetta

Nuclei cometari: corpi minori del Sistema Solare formatisi nelle

parti esterne di quest’ultimo e costituiti da ghiacci e rocce.

Eros

Mathilde

Gaspra

Asteroidi: corpi minori del Sistema Solare formatisi nelle parti interne

di quest’ultimo (tra Marte e Giove) e costituiti esclusivamente da

materiale roccioso.

LE COMETE Struttura

Dimensioni caratteristiche

Nucleo: solido e irregolare, costituisce la parte permanente di una

cometa.

Il nucleo della

cometa Halley:

una mistura di

ghiacci e materiale

roccioso (Palla di

neve sporca)

LE COMETE Struttura: il nucleo

Le due code della

cometa Hale-Bopp

LE COMETE Struttura: le code

Code: flusso di gas e polvere che si allontanano dal nucleo.

Le code di polvere

della cometa West

La coda della cometa

Ikeya - Zhang

Aspetto di una

cometa lungo

la sua orbita

La cometa Churyumov-Gerasimenko (67/P C-G)

osservata da Terra

La cometa 67/P C-G osservata da Rosetta

La cometa 67/P C-G osservata da Rosetta

Fotomosaico ad alta risoluzione

Ricostruzione 3D del nucleo della 67/P C-G

Dimensioni del nucleo della 67/P C-G

Eventi del 12 Novembre 2014

Ore 8.35 GMT: il lander Philae si stacca dalla nave-madre (a 22 km

dal nucleo).

PHILAE


Philae fotografa il suo

obiettivo (da un’altezza

di 3 km)

X

Sito d’atterraggio

previsto


Scenario di atterraggio previsto

Ore 15.33 –17.33 GMT: il

travagliato “accometaggio”



Filae fotografato dalla

nave-madre

Prima

immagine di

Philae dal

nucleo

Eventi del 12 Novembre 2014 Eventi del 12 Novembre 2014

Lo spettrometro ad

immagine VIRTIS

Confronto


Fasi iniziali: formazione del disco protoplanetario


Fasi intermedie e finali

DESTINO FINALE DELLE ACQUE

DELL’OCEANUS BOREALIS

• Evaporazione con fuga nello spazio e parziale

deposizione ai poli (sotto forma di ghiaccio).

• Infiltrazione nel sottosuolo, con successivo

intrappolamento nel permafrost

• Congelamento sul posto sotto uno strato

protettivo di sabbia e polvere (contro la

sublimazione).

Orbita della cometa 67/P C-G

Attuale distanza perielica dal Sole: 1.3 UA (2.7 UA fino al 1959)

Getti dalla cometa 67/P C-G

31 Gennaio – 25 Marzo 2015

Messaggere di sventura:

rischi reali?

Possibili impatti con la Terra?

Impatti meteoritici sulla Terra: il

Meteor Crater in Arizona

L’evento Tunguska7:17 30/6/1908

Messaggere della vita:

comete portatrici di acqua sulla Terra?

Possibili impatti con la Terra


comete portatrici di amminoacidi

2009 : Scoperta della glicina nella Wild 2

Per Halley. Hyakutake , Hale-Bopp , Tuttle, C/2002 T7(dalla

Nube di Oort):[n(D)/n (H)]COMETA 2 [n(D)/n (H)]TERRA

Per Hartley 2 (dalla Fascia Esterna di

Kuiper):[n(D)/n (H)]COMETA [n(D)/n(H)]TERRA

Conclusione:

Comete come la Hartley 2 possono aver portato l’acqua

contenuta negli oceani terrestri

Per Halley, Hyakutake, Hale-Bopp, Tuttle, C/2002 T7 (dalla Nube di Oort):

[n(D)/n(H)]COMETA 2 [n(D)/n(H)]TERRA

Per Hartley 2 (dalla Fascia di Kuiper):

[n(D)/n(H)]COMETA [n(D)/n(H)]TERRA

Per Churyumov-Gerasimenko (dalla Fascia di Kuiper):

[n(D)/n(H)]COMETA 3 [n(D)/n(H)]TERRA (ROSINA)

Conclusione:

Non tutte le comete della Fascia di Kuiper sono state portatrici di

acqua sulla Terra.


comete portatrici di acqua sulla Terra?

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