La nascita del sistema solare

P

REMESSA

Dall'inizio dei tempi l'uomo ha cercato di comprendere tutto ciò che va oltre se stesso. In

migliaia di anni ha osservato e studiato tutto quello che lo circonda per applicarne le

derivanti deduzioni a suo vantaggio. Ed è proprio da questa tematica, ovvero dal fatto che

l’uomo vuole scoprire sempre cose nuove, che vanno al di là del proprio essere, che voglio

dare inizio a questo lavoro con una citazione che a me è molto cara…

“In una fredda notte serena e senza luna il cielo è stupendo. Possiamo allora ammirare con

meraviglia il mare maestoso di stelle, solcato da una decina di pianeti e, occasionalmente,

1

dalle improvvise tracce luminose delle meteore” .

Anche gli scienziati, come gli altri esseri umani, contemplano il cielo con reverente

ammirazione, e si pongono domande sul significato di quel grandioso spettacolo notturno.

Fin dall'antichità la domanda fondamentale che ogni uomo si è posto volgendo gli occhi in

alto e guardando quelle migliaia di puntini luminosi ammiccanti è stata senza dubbio: che

cosa sono?

Naturalmente le risposte sono state molteplici e ognuno ha fornito la propria

interpretazione secondo i mezzi in possesso e secondo la propria cultura; si è allora passati

dalle anime dei defunti nelle popolazioni più primitive ai miti greci sulle costellazioni, dalla

dimostrazione della presenza e della grandezza di Dio per il popolo ebraico ad un

infallibile mezzo per prevedere il futuro per le popolazioni precolombiane.

Ma oggi, a qualche migliaia di anni da quando i nostri lontani progenitori hanno alzato per

la prima volta gli occhi al cielo, che cosa ci chiediamo sulla volta stellata che sovrasta le

nostre teste?

A quali conoscenze siamo giunti? Sicuramente da quel lontano giorno le cose sono

cambiate: oggi sappiamo bene cosa sono quei puntini che affollano il cielo notturno.

1 N. Copernico, De Revolutionibus Orbium Coelestium, Norimberga, 1593

Ma allora che cosa cercano gli scienziati scrutando il cielo? La risposta è estremamente

semplice: essi cercano di capire come le stelle e gli altri corpi celesti si siano formati e

come essi si evolvano.

In questo mio lavoro, dunque, tenterò di compiere un breve excursus attraverso le

moderne teorie che, con i mezzi più avanguardistici, tentano di fornirci una spiegazione

coerente di come sia nato il nostro Sistema solare. Altro intento di questo testo è quello di

dimostrare come sia stato piuttosto facile scardinare alcune presunte certezze che avevano

accompagnato la storia dell'astronomia fino ad oggi. Tali rivoluzioni scientifiche

ci dimostrano, infatti, che a volte anche le leggi o le teorie più affermate siano

estremamente fallaci e che anche il caso stesso contribuisca a demolirle. Per questo

l'astronomia deve considerarsi un terreno di studio costantemente aperto al nuovo e

in cui il concetto di crisi del vecchio e del meccanicistico costituisce uno scarto verso il

progresso e la scoperta. E' questa spinta che anima il lavoro di ogni scienziato e che invita

ogni uomo ad alzare gli occhi verso il cielo e a perdersi con lo sguardo nell' immensità del

cosmo....

L

A NASCITA DEL SISTEMA SOLARE

Il Sistema Solare - una visione d'insieme

Ripercorrendo sistematicamente le tappe fondamentali della Storia dell'Astronomia è

evidente come l'interpretazione complessiva del Sistema solare si sia modificata

gradualmente man mano che la ricerca e la tecnologia avanzavano e mettevano a

disposizione degli scienziati mezzi sempre più efficienti per indagare il cielo e la sua

conformazione.

Alla fine del 1600 tale struttura era già sufficientemente complessa, tanto che, alla

comunità scientifica del tempo, era già nota l'evidente presenza del Sole, della Terra e della

Luna, e l'esistenza molto meno scontata di Mercurio, Venere, Marte, Giove con quattro dei

suoi satelliti, e di Saturno con cinque dei suoi satelliti. Le comete, invece, furono messe a

pieno titolo tra i corpi del Sistema da Halley nel 1687.

Già pochi anni dopo, nel 1700, vi fu l'individuazione di Urano con due satelliti e l'aumento a

sette dei satelliti di Saturno.

Un passo fondamentale sia dal punto di vista osservativo che teorico fu compiuto nel

corso del 1800 con la scoperta di Nettuno. Il suo studio rappresenta uno dei momenti

fondamentali nell'analisi della meccanica celeste; infatti, grazie agli studi compiuti, in

maniera del tutto indipendente, da Adams e Le Verrier, J.G. Galle di Berlino il 23 settembre

del 1846, esattamente tre mesi dopo la pubblicazione dei calcoli di Le Verrier, identificò

in cielo il nuovo pianeta: per la prima volta nella storia carta e penna avevano preceduto il

telescopio e gli avevano indicato la strada. Per completare questo quadro generale del

Sistema solare bisogna però aspettare il 18 febbraio del 1930 quando Tombaugh, seguendo i

calcoli di Lowel, osservò per la prima volta Plutone. In questa circostanza l’uso dei calcoli

si rivelò un caso di fortuna in quanto Lowel aveva confuso il pianeta e il suo satellite

Caronte per un sistema di stelle doppie; le coordinate che egli aveva indicato, infatti, come

dimostrarono i calcoli successivi, erano estremamente approssimative e Plutone il giorno

dell'osservazione di Tombaugh si trovava in quel punto quasi per caso.

Questa la ricostruzione di quelle che sono le scoperte fondamentali nella definizione

della struttura e del Sistema solare. E' ora opportuno dare un quadro riassuntivo della

situazione dei corpi compresi nel Sistema alla luce delle moderne osservazioni strumentali:

Pianeta Numero Distanza media dal Periodo di Massa Raggio

satelliti Sole (U.A.) rivoluzione (MT)* (RT)**

Mercurio 0 0.387 0.240 0.055 0.382

Venere 0 0.723 0.615 0.815 0.949

Terra 1 1.000 1.000 1.00 1.00

Marte 2 1.524 1.880 0.107 0.532

Giove 16 5.203 11.861 317.9 11.226

Saturno 18 9.523 29.456 95.2 9.407

Urano 17 19.164 84.018 14.5 4.007

Nettuno 8 29.987 164.788 17.2 3.882

Plutone 1 39.440 247.688 0.002 0.180

● * MT (masse terrestri) = 5.97 x 1024 Kg

● ** RT (raggi terrestri) = 6378 Km

Come già è stato evidenziato nella presentazione storica, nel Sistema solare non vi

sono solo i pianeti. Nella regione tra Marte e Giove vi è la cosiddetta Fascia principale degli

Asteroidi, formata da più di 38000 di questi particolari corpi celesti così chiamati per il loro

aspetto "quasi stellare" e dei quali circa 7000 hanno orbite ben definite come quelle

planetarie.

L'attività intorno al Sole è ulteriormente arricchita dalla presenza delle Comete (di

cui non è possibile definire una posizione precisa a causa dei moltissimi parametri orbitali) e

dalla cosiddetta zona dei Kuiper-Belt Objects, corpi celesti ancora non ben definiti che

transitano nella fascia orbitale immediatamente successiva a Nettuno.

Un ruolo fondamentale nella dinamica del Sistema è giocato anche dai satelliti che,

nonostante la loro subalternità rispetto al pianeta attorno a cui orbitano, per dimensioni

assumono una grande importanza tra i cosiddetti "corpi minori" del nostro sistema

planetario.

Le leggi che regolano il sistema solare

Nonostante la complessità del Sistema solare, il moto che i pianeti compiono intorno

al Sole può essere descritto da tre regole fondamentali assai semplici, chiamate leggi di

Keplero, dal nome dell'astronomo e matematico che le scoprì nel XVII secolo:

La prima legge riguarda la forma dell'orbita: i pianeti, compresa la Terra, si muovono

intorno al Sole su orbite ellittiche, di cui il Sole occupa uno dei fuochi.

La seconda legge riguarda la velocità con la quale i pianeti si muovono sulla loro orbita:

ogni pianeta si muove sulla sua orbita in modo tale che la linea (raggio vettore) che lo

congiunge al Sole, spazza aree uguali in tempi uguali. La terza legge mette in relazione la

distanza di un pianeta dal Sole con il tempo necessario a percorrere l'intera orbita: il

rapporto tra il quadrato dei tempi di rivoluzione dei pianeti e il cubo della loro distanza

media dal sole è costante.

Le leggi di Keplero, essendo leggi empiriche, si limitano a descrivere il moto dei

pianeti senza chiarirne le cause. Esse stabiliscono, introducendo elementi totalmente nuovi

nelle concezioni dell'astronomia, che le orbite dei pianeti non sono circolari e che la velocità

del loro moto non è costante.

La soluzione alla domanda rimasta fino ad allora insoluta, del perché i pianeti si

muovano su un'orbita ellittica, fu trovata da Newton alla fine del XVII secolo. Egli riuscì a

dimostrare che il moto dei pianeti e le scoperte di Keplero trovano spiegazione ammettendo

che fra due corpi agisca una forza di attrazione F, che è direttamente proporzionale al

prodotto delle masse m e m' e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza r.

E' questa l'importantissima legge di gravitazione universale, espressa dalla formula:

-11 2 -2

dove K è la costante di gravitazione universale e vale 6,67 x 10 Nm Kg .

Un'altra legge che si dimostra fondamentale nella definizione matematica delle leggi

di Keplero è la seconda legge della dinamica di Newton:

dove a è l'accelerazione del corpo di massa m soggetto alla forza F.

In particolare: poiché la forma delle orbite di un corpo intorno ad un altro risulta

essere, a seconda della posizione e della velocità iniziali, una conica, cioè un'ellisse o una

parabola o un ramo di iperbole, i due corpi in movimento reciproco descrivono tale orbita

intorno al baricentro comune. Se tuttavia uno dei due corpi è più massiccio dell'altro, il

baricentro coincide con la sua posizione e si può parlare di moto di un corpo intorno

all'altro. La terza legge di Keplero viene precisata da Newton nella forma:

Nel Sistema solare la somma delle due masse, in prima approssimazione, si considera

praticamente costante e pari alla sola massa solare, data la relativa piccola massa dei pianeti.

Nel caso di sistemi binari di stelle, nei quali le masse stellari possono essere dello stesso

ordine di grandezza, la terza legge di Keplero va utilizzata nella forma generalizzata di

Newton.

Illustrate, dunque, queste note preliminari all'analisi delle circostanze di formazione

del nostro sistema planetario è ora possibile analizzare dettagliatamente il modo in cui esso

si è effettivamente formato e di come sia giunto alla sua situazione attuale.

Le fasi della formazione del Sistema Solare

a) FASE "ZERO"

Inizio dell'addensamento gravitazionale:

tutto parte da una nube interstellare la cui

situazione d'equilibrio viene turbata da

un fattore esterno. Non è certamente

2

azzardato Taylor quando afferma che la

nebulosa primordiale non doveva essere

di grande massa neppure dotata di moto

rotazionale elevato; queste due caratteristiche, infatti, resero possibile il fenomeno di

addensamento centrale, impedendo, cioè, quel frazionamento della nebulosa che avrebbe

dato come risultato la nascita di un sistema di stelle binario. A proposito della causa

perturbatrice responsabile dell'innesco di autogravitazione l'ipotesi più verosimile è

quella dell'esplosione di una vicina supernova. Questa ipotesi è fortemente accettata anche

perché spiega la presenza, altrimenti infondata, di alcuni isotopi la cui sintesi può avvenire

esclusivamente nei nuclei stellari.

2 Taylor, The birth of Solar Sistem, Perseus Books, Cambridge, 1992.

b) FASE UNO

Collasso della materia della nebulosa solare

primordiale in un disco rotante di gas e polveri e

conseguente condensazione di piccole particelle.

Questi ripetuti episodi di condensazione ed

evaporazione possono spiegare le inclusioni

3

refrattarie di CAI (calcio-alluminio intrusion)

rilevate in alcune meteoriti. Sono queste inclusioni

gli oggetti più antichi dei quali è stato possibile stabilire una datazione (meteorite Allende),

stimata in circa 4560 milioni di anni. E' proprio a quell'epoca che gli scienziati collocano il

cosiddetto T del Sistema solare. Dall'analisi di questi meteoriti è emerso che gli elementi

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che si sono condensati prima e più rapidamente sono ferro, nickel e silicati di ferro e

magnesio; nelle zone più esterne della nebulosa, invece, gli elementi che si sono aggregati

con più rapidità sono acqua e ammoniaca allo stato solido.

c) FASE DUE

Contemporaneamente alla fase di