Effetti delle esplosioni stellari sulla formazione planetaria

Nel processo di formazione di nuovi sistemi planetari, le stelle giovani, chiamate stelle FU Orionis, possono avere forti esplosioni. Queste esplosioni causano il riscaldamento nel disco circostante di gas e polvere. Questo calore fa sì che il ghiaccio d'acqua cambi da solido a gas, spostando il punto in cui il ghiaccio si trasforma in gas (linea del ghiaccio) molto più lontano nel disco. L'obiettivo principale di questo studio è come il Raffreddamento che segue queste esplosioni influisce sulla dimensione delle Particelle nel disco.

Quando il disco inizia a raffreddarsi dopo un'esplosione, la linea del ghiaccio si sposta verso l'interno. Il vapore acqueo inizia a formare strati ghiacciati su piccoli pezzi solidi esistenti, come i grani di silicato, attraverso un processo chiamato Nucleazione eterogenea. La velocità con cui si forma il ghiaccio su queste particelle dipende fortemente dalla quantità di vapore acqueo presente. Se il raffreddamento è rapido, ci sono molti piccoli eventi di nucleazione, risultando in molte piccole particelle ghiacciate. Al contrario, se il raffreddamento è lento, ci sono meno eventi di nucleazione, ma le particelle ghiacciate che si formano possono crescere di dimensioni.

Vicino alla linea del ghiaccio, le particelle possono crescere fino a dimensioni di centimetri o decimetri. Le particelle più grandi possono collidere tra loro. Tuttavia, possono ancora raggiungere una dimensione che permette loro di formare potenzialmente corpi più grandi, noti come planetesimi, se le condizioni circostanti lo consentono.

#L'ambiente dei dischi protoplanetari

I dischi protoplanetari sono il luogo in cui si formano i pianeti. Questi dischi non sono stabili; molti cambiamenti avvengono nei pochi milioni di anni che servono affinché la polvere diventi pianeti. Le stelle giovani subiscono forti esplosioni, riscaldando notevolmente il disco. Dopo questa fase di riscaldamento, il disco si raffredda, il che influisce ulteriormente su come crescono le particelle.

Tipicamente, la linea del ghiaccio si trova a 1-3 unità astronomiche (UA) dalla stella, equivalenti a circa 170 K in temperatura, a seconda dello stadio del disco. Oltre la linea del ghiaccio, l'acqua passa da vapore a solido, raddoppiando la quantità di materiale solido presente. Così, la linea del ghiaccio è essenziale per passare dalla polvere a corpi solidi più grandi.

Comprendere come le particelle crescono attorno alla linea del ghiaccio è fondamentale per mappare il percorso dalla polvere minuscola a corpi più grandi nel disco. La maggior parte degli studi precedenti ha esaminato dischi con una linea del ghiaccio statica. Tuttavia, il movimento della linea del ghiaccio a causa delle esplosioni stellari ripristina la distribuzione delle particelle ghiacciate, portando a nuove domande sulle conseguenze di questo spostamento.

#Studi iniziali sulla formazione delle particelle

Le ricerche precedenti su come il vapore si trasforma in ghiaccio nei sistemi stellari giovani hanno mostrato l'importanza della linea del ghiaccio nell'aiutare i corpi ghiacciati a crescere. Tuttavia, studi precedenti non hanno considerato il movimento delle particelle e come interagiscono durante il processo. Alcuni si sono concentrati solo sulla formazione istantanea di nuovi corpi ghiacciati trascurando la necessità di una particella seme o i movimenti complessi delle particelle esistenti.

Lavori più recenti hanno incluso dinamiche, mostrando come le dimensioni delle particelle cambiano mentre il vapore si condensa sulla linea del ghiaccio. Quando le particelle ghiacciate si muovono attraverso la linea del ghiaccio, sublimano, rilasciando vapore che può tornare indietro oltre la linea e attaccarsi a nuove particelle. Tuttavia, le condizioni per innescare una crescita significativa attraverso la cosiddetta instabilità di streaming rimangono oggetto di dibattito.

#Il ruolo della nucleazione

La nucleazione è il primo passo nella formazione del ghiaccio su particelle solide. Esistono due tipi: nucleazione omogenea, che si verifica senza un seme, e nucleazione eterogenea, che richiede una superficie per formare ghiaccio. Per l'acqua alla linea del ghiaccio, solo la nucleazione eterogenea è rilevante. I ricercatori hanno scoperto che formare un nuovo strato di ghiaccio su grani nudi è molto più difficile che aggiungere ghiaccio a particelle ghiacciate esistenti.

La nucleazione richiede condizioni di vapore acqueo più elevate rispetto a una semplice deposizione su particelle ghiacciate. Questa distinzione è essenziale; significa che subito dopo un'esplosione, solo una piccola frazione di particelle solide inizierà a formare strati di ghiaccio, risultando in particelle ghiacciate molto più grandi.

#Fase di raffreddamento dopo un'esplosione

Dopo un'esplosione stellare, il raffreddamento del disco è molto importante per determinare le dimensioni delle particelle. Generalmente, si osserva un tempo di raffreddamento da 100 a 1.000 anni dopo tali esplosioni. Lo studio ha cercato di capire come questi intervalli di tempo influiscono sulla crescita dei ciottoli ghiacciati.

Quando il raffreddamento avviene rapidamente, molte particelle nucleano, distribuendo il vapore acqueo disponibile su molte superfici, risultando in particelle più piccole. Al contrario, un raffreddamento più lento porta a meno eventi di nucleazione. Le poche particelle che si formano possono crescere a dimensioni maggiori perché non condividono il vapore in modo così ampio.

#Distribuzione delle dimensioni delle particelle

Le dimensioni delle particelle cambiano significativamente in base alla posizione rispetto alla linea del ghiaccio dopo il raffreddamento. Le misurazioni mostrano che la crescita maggiore avviene appena al di fuori della linea del ghiaccio statica. Per un raffreddamento rapido, le particelle raggiungono dimensioni di circa 1 cm a distanze di 2,1 UA dalla stella e circa 10 cm appena oltre quella linea. Per un raffreddamento più lento, possono formarsi particelle ancora più grandi.

La distribuzione delle dimensioni delle particelle ghiacciate diventa molto concentrata in specifici intervalli di dimensioni vicino alla linea del ghiaccio. Questo significa che mentre le particelle coperte di ghiaccio possono crescere molto di più, le particelle di silicato nudo rimangono generalmente piccole e non riescono a crescere in modo efficiente in confronto.

#Crescita e collisioni

Durante il processo di formazione del ghiaccio sulle particelle, è fondamentale valutare come le collisioni influenzano la crescita. Se le particelle sono troppo grandi, potrebbero rompersi invece di attaccarsi insieme. Le possibilità di collisione dipendono da fattori come la densità del gas e le dimensioni delle particelle.

Le particelle ghiacciate possono crescere significativamente durante la fase di condensazione, ma le condizioni nel disco suggeriscono che molte collisioni non portano a frammentazione alle loro dimensioni in crescita. La crescita delle particelle avviene a un ritmo molto più veloce rispetto al tempo necessario per le collisioni, rendendo qualsiasi impatto delle collisioni durante la crescita minimo.

#Implicazioni per la formazione di planetesimi

Una domanda significativa per comprendere la formazione dei pianeti è se i ciottoli ghiacciati formati attraverso questa nucleazione possano svilupparsi in corpi più grandi noti come planetesimi. Le condizioni per questo sviluppo sono legate all'instabilità di streaming, che fa sì che le particelle si ammucchino in un modo che può portare al collasso gravitazionale.

Perché i ciottoli ghiacciati possano innescare l'instabilità di streaming, devono raggiungere determinate dimensioni e densità. In scenari in cui la metallicità è più alta, i ciottoli più grandi che si formano appena oltre la linea del ghiaccio possono rientrare nei parametri necessari per l'ammucchiamento attraverso questa instabilità, rendendoli candidati ideali per formare planetesimi.

#Conclusione

Lo studio mette in evidenza come le esplosioni stellari e le fasi di raffreddamento successive influenzano la crescita iniziale delle particelle ghiacciate nei dischi protoplanetari. Le particelle possono crescere significativamente più grandi di quanto pensato in precedenza, specialmente appena oltre la linea del ghiaccio. L'interazione tra i tempi di raffreddamento, la nucleazione e la presenza di ghiaccio rispetto ai silicati nudi è cruciale per mappare come queste particelle possano evolversi in corpi planetari più grandi.

I lavori futuri dovrebbero concentrarsi su una migliore comprensione delle dinamiche delle collisioni, specialmente su come gli aggregati di polvere interagiscono con corpi ghiacciati più grandi. Studi sperimentali e ulteriori modelli miglioreranno le intuizioni sulle condizioni di crescita che portano da particelle piccole a planetesimi negli ambienti ricchi dei sistemi planetari in formazione.