Perché i pianeti hanno dimensioni “standard”?

Piccoli e rocciosi o grandi e gassosi: i pianeti nell’universo sembrano distinguibili in sole due categorie. Ma perché esiste questo gap?

Recentemente, oltre 4.000 esopianeti sono stati scoperti al di fuori del nostro sistema solare, ognuno di questi con caratteristiche differenti, con le loro orbite e il loro comportamento rispetto agli oggetti cosmici vicini. Eppure,quando si parla di dimensioni, in particolare di massa e raggio, la stragrande varietà di pianeti conosciuti sembra avere degli “standard”, che in qualche modo ci riportano sempre al nostro sistema solare.

Da ciò che hanno scoperto finora gli astrofisici, nell’universo ci sono essenzialmente due tipologie di pianeti: piccoli e rocciosi, simili alla Terra, oppure grandi e gassosi, come Giove. Tutti i pianeti conosciuti rientrano in una delle due categorie, con dei limiti nelle dimensioni. Analizzando i dati delle missioni di “caccia” dei satelliti Kepler o TESS, sembra esserci un gap tra le due categorie, con rarissime eccezioni identificabili come “super-terre”, ovvero pianeti con un raggio che supera fino a 2 volte quello della Terra e una massa che è da 5 a 10 volte maggiore.

Ma perché esiste questa lacuna? Perché continuiamo a rilevare solo piccoli pianeti rocciosi o grandi pianeti gassosi?

La risposta è nell’atmosfera di un pianeta, specie nella sua formazione. Quando una stella si sviluppa, un’enorme sfera di gas si addensa, inizia a ruotare e poi a collassare su sé stessa. Questo processo dà origine a una reazione di fusione all’interno del nucleo della stella che si sta formando, ma non è perfetto: una quantità variabile di gas e polvere resta fuori dal processo, continuando a ruotare attorno alla stella fino a formare un disco stellare.

La polvere e la materia rocciosa iniziano quindi a scontrarsi e fondersi tra loro, diventando massi sempre più grandi, ovvero pianeti. Man mano che le dimensioni aumentano, crescono anche la massa e la gravità e si forma quindi un’atmosfera. Mentre il gas è l’elemento predominante nella formazione dei dischi stellari, la materia rocciosa è considerevolmente inferiore, perché prodotta in quantità limitata.

In un pianeta relativamente piccolo, dal raggio inferiore a 1,5 volte quello terrestre, la gravità non è abbastanza forte da trattenere una grande quantità di atmosfera. Ma se continua a crescere, continua ad attrarre sempre più gas. La continua crescita dell’atmosfera causa il “rigonfiamento” del pianeta, diventando come Nettuno – 4 volte il raggio terrestre –  o Giove – 11 volte il raggio terrestre.

La via intermedia tra queste due possibilità, ovvero la formazione di una super-terra, è estremamente insolita perché una volta che ha abbastanza massa e attrazione gravitazionale, un pianeta ha bisogno di circostanze precise per impedire alla valanga di gas di accumularsi e gonfiarlo. Questo è ciò che viene definito equilibrio instabile, che nel caso dei corpi celesti descrive la tendenza ad allontanarsi significativamente dalla condizione originale una volta oltrepassato un certo limite (attirando più gas).

A volte, però, i piccoli pianeti rocciosi sono in realtà i nuclei di pianeti più grandi, spogliati della loro atmosfera. Ciò avviene quando i pianeti si spostano o migrano verso la loro stella ospite: in questo caso, il cambiamento di orbita può determinare un riscaldamento dell’atmosfera che fa sì che atomi e molecole si muovano molto velocemente, sfuggendo all’attrazione gravitazionale del pianeta.