21/08/17

I MIEI AMICI ASTEROIDI (1): L'entusiasmante viaggio dalla fascia degli asteroidi alla Terra

Come nascono i NEA (Near Earth Asteroids), ovvero gli asteroidi a rischio d'impatto con la Terra? Tutto ha inizio con le "mie" famiglie asteroidali e la loro evoluzione collisionale... a tal proposito vi ripropongo un articolo scritto nel 2008. Buona lettura!

 

L’origine della fascia degli asteroidi è ormai quasi sicuramente associata alla mancata nascita di un pianeta di circa una massa terrestre situato tra Marte e Giove. L’accrescimento dei “planetesimi” (i piccoli aggregati di polvere che unendosi tra loro avrebbero poi formato corpi sempre più grandi fino a diventare pianeti) era iniziato come in tutte le altre regioni di formazione planetaria, ma sfortunatamente la vicinanza con Giove, già molto più avanti nella sua fase di “costruzione”, bloccò il processo che si sarebbe dovuto compiere. Non direttamente, ma attraverso le perturbazioni dinamiche dei moltissimi planetesimi (a volte grandi come la stessa Terra), che già si erano formati nella sua zona e che avrebbero in seguito contribuito ad aumentare la massa del gigante gassoso.

Questi corpi celesti “scorrazzavano” attraverso la zona del futuro pianeta “asteroidale” e disturbavano gravitazionalmente, cambiandone le orbite, i piccoli oggetti che si stavano unendo tra loro. Per avere accrescimento è necessario che la velocità relativa, all’atto dell’urto, sia non più alta di qualche metro al secondo. Il “disturbo”, causato dai planetesimi gioviani, trasformava le orbite da quasi circolari ad ellittiche ed inclinate. In questo modo aumentava di molto la velocità di incontro che raggiungeva facilmente il valore di qualche chilometro al secondo: l’accrescimento non era più possibile. Urti a tale velocità erano distruttivi e non costruttivi, per cui mandavano in fumo tutto il lavoro fatto fino a quel momento. Solo pochi oggetti che avevano già raggiunto qualche centinaio di chilometri di diametro si salvarono da una completa frammentazione.

La maggior parte della massa del mancato pianeta asteroidale venne anche cancellata o espulsa dinamicamente, sia perché i proto-asteroidi cadevano sul Sole sia perché venivano inseriti in orbite iperboliche che li portavano al di fuori del Sistema Solare. Tutto ciò che rimase, alla fine, era solo un millesimo di quanto presente all’origine. La riprova di questo scenario evolutivo è data dallo stesso Marte. Benché più lontano da Giove, è stato anch’esso disturbato nella sua formazione ed è quindi rimasto ben più piccolo delle sue originali possibilità, che dovevano portarlo ad una massa pari a quella terrestre.

Tuttavia, la fascia degli asteroidi, quello che rimane di questo dramma planetario, non si è mai fermata nella sua evoluzione, sia fisica che dinamica. Nei loro 4,5 miliardi di anni di vita praticamente tutti gli oggetti si sono scontrati tra loro, dando luogo a diversi prodotti finali. Questa esistenza abbastanza violenta prende il nome di evoluzione collisionale e continua tuttora. A volte i frammenti prodottisi negli urti si sono rimessi assieme per effetto della reciproca gravitazione ed hanno formato un oggetto composto essenzialmente da un mucchio di detriti legati tra loro solo dall’autogravitazione (un tipo di oggetto che in gergo inglese si chiama “pile of rubbles”). Interessante è notare che benché ipotizzati dagli astronomi solo all’inizio degli anni ’80, il grande disegnatore di Paperino, Carl Barks, ne aveva già intuito l’esistenza in un racconto del 1960, apparso col titolo “Paperino e gli asteroidi”, di cui potete vedere un paio di vignette della versione originale.

pile-of-rubbles
Le due vignette illustrano l’esplorazione di un asteroide da parte di Paperino su “invito” del ricchissimo zio Paperone, che sta cercando nello spazio un luogo sicuro dove mettere il suo enorme deposito di dollari. Paperino vuole “testare” la gravità dell’asteroide, ma con sua grande sorpresa lo attraversa letteralmente, esclamando “non sono nemmeno incollati assieme!”. La storia risale al 1960 e precede di circa vent’anni la scoperta del “pile of rubbles”(ammasso di detriti) da parte degli astronomi.

Altre volte l’urto era così violento che i frammenti “scappavano” dal campo gravitazionale e si immettevano in orbite singole attorno al Sole ad una distanza “spaziale” relativamente piccola rispetto a quella del corpo originale andato distrutto. Questi di pezzi di asteroidi formavano “gruppi” numerosi con orbite estremamente simili, che ancora oggi si riescono molto bene a localizzare nella fascia principale. Essi prendono il nome di famiglie asteroidali e, come vedremo, sono una delle origini principali dei NEA (Near Earth Asteroids), ossia di quelli a rischio d’impatto con la Terra. Va notato che questi gruppi non formano insiemi di frammenti realmente “vicini” nello spazio, in quanto soltanto il semiasse, l’eccentricità e l’inclinazione sono rimasti pressoché invariati nel tempo. Gli altri elementi orbitali (quelli angolari) si sono ormai distribuiti a caso e quindi una famiglia va intesa come una “ciambella” piuttosto stretta attorno al Sole, al cui interno si trovano le orbite dei suoi membri (vedi la figura per una migliore comprensione).

L’evoluzione temporale di una famiglia asteroidale. All’inizio i frammenti sono realmente vicini tra loro, ma col tempo le orbite “girano” angolarmente per effetto della precessione e si distribuiscono dentro una “ciambella” attorno al Sole, in tempi relativamente molto brevi. Tuttavia il semiasse maggiore e l’eccentricità (ed anche l’inclinazione) rimangono costanti e permettono l’individuazione del gruppo.
L’evoluzione temporale di una famiglia asteroidale. All’inizio i frammenti sono realmente vicini tra loro, ma, in tempi relativamente molto brevi, le orbite “girano” angolarmente per effetto della precessione e si distribuiscono dentro una “ciambella” attorno al Sole. Tuttavia il semiasse maggiore e l’eccentricità (ed anche l’inclinazione) rimangono costanti e permettono l’individuazione del gruppo.

Gli urti che hanno causato la formazione di una famiglia non potevano però mandare troppo lontano i frammenti, ossia non potevano certo trasportarli direttamente dalla fascia asteroidale alla zona dei pianeti interni (Marte, Terra, Venere e Mercurio). Ricordiamoci che cambiare significativamente l’energia orbitale non è facile! Era necessario un aiuto, essenzialmente di pura dinamica. Se consideriamo per semplicità il Sistema Solare formato soltanto dal Sole e da Giove (vi assicuro che non è una grande approssimazione) un terzo oggetto (ad esempio un asteroide) si può posizionare un po’ ovunque nella fascia principale, tranne che in alcune zone “proibite”, che coincidono con le risonanze di moto medio.

In altre parole, un oggetto che orbitasse attorno Sole in quelle zone vietate avrebbe una vita molto corta e sarebbe destinato ad essere espulso nel giro di pochi milioni di anni. Si ha una risonanza di moto medio con Giove, quando il periodo orbitale di Giove e quello dell’asteroide hanno un rapporto tra loro uguale a quello di piccoli numeri interi, ossia del tipo 2/1, 3/1, 4/1, 5/2, e così via. Ad esempio la risonanza 3/1 ci dice che il periodo orbitale di Giove è tre volte quello dell’asteroide, ossia che quest’ultimo compie “esattamente” 3 orbite complete mentre il gigante ne compie una sola. La 5/2 che ogni due orbite di Giove, l’oggetto ne compie 5, e così via.

Le risonanze che cadono internamente alla 2/1, che definisce il limite esterno della vera e propria fascia, sono “distruttive”, ossia eliminano gli oggetti. Quelle esterne alla fascia principale, come la 3/2, sono invece costruttive e permettono agli oggetti che vi risiedono di avere una vita tranquilla. Questa differenza tra interne ed esterne è ancora oggi molto controversa e non del tutto chiarita (o quantomeno necessiterebbe da sola un ben più lungo articolo). La più famosa tra queste è la 1/1, ossia quella che dice che l’asteroide ha lo stesso periodo orbitale di Giove. Vi sembra strano? Pensate agli asteroidi Troiani e vedrete che questa risonanza protettiva funziona molto bene! Ma gli asteroidi sono soprattutto interessati a quelle interne che cadono nella fascia principale. In un diagramma semiasse-eccentricità o semiasse-inclinazione, ma anche solo numero di oggetti-semiasse vedreste benissimo (figura in basso) che ci sono zone completamente spopolate in corrispondenza delle risonanze interne.

In un diagramma che riporta il numero di asteroidi in funzione del loro semiasse maggiore orbitale, si vedono molto bene i “vuoti” che corrispondono alle risonanze più interne ed i “pieni” di quelle più esterne
In un diagramma che riporta il numero di asteroidi in funzione del loro semiasse maggiore orbitale, si vedono molto bene i “vuoti” che corrispondono alle risonanze più interne ed i “pieni” di quelle più esterne

Come mai? E’ presto detto: un oggetto in risonanza con Giove si ritrova, dopo poche orbite, nella stessa identica posizione geometrica rispetto al pianeta e subisce periodicamente e sempre nello stesso verso le perturbazioni gravitazionali del gigante. In pochi milioni di anni la sua eccentricità (cos'è l'eccentricità è spiegato QUI) sale ed anche l’inclinazione. Aumentando l’eccentricità l’asteroide comincia ad intersecare l’orbita di Marte, poi quella della Terra, e via dicendo, fino a cadere sul Sole o ad impattare contro uno dei pianeti interni, magari proprio il nostro. Fortunatamente la loro vita non è lunga (sono su orbite dette “caotiche”) ed in breve molti saranno espulsi dal sistema o cadranno sulla nostra stella (circa l’80%).

Ebbene, all’atto di formazione di una famiglia, parecchi frammenti potrebbero entrare all’interno delle risonanze vicine ed essere quindi poi trasportati fino a noi in breve tempo (milioni di anni…). Avremmo quindi un collegamento diretto tra la Terra e uno o più asteroidi che viaggiano a centinaia di milioni di chilometri di distanza. La famiglia più istruttiva da questo punto di vista è quella di Vesta (uno dei più grandi tra gli asteroidi con circa 500 km di diametro). La sua composizione superficiale era fino a non molti anni fa del tutto unica nella fascia asteroidale, essendo Vesta ricoperto da lava basaltica, ricordo di un suo primordiale riscaldamento interno. Era quindi classificato come il solo asteroide di tipo V.

Ma si è poi scoperto che Vesta aveva una famiglia, causata da un urto che non lo aveva distrutto, ma solo formato un grande cratere da cui erano “scappati” piccoli frammenti (con dimensioni mai superiori ai 10 km). L’origine comune è stata provata perfettamente (abbiamo anche vinto una scommessa con un amico e collega americano) dalla composizione superficiale di questi “pezzi”, membri della famiglia. Anch’essi sono risultati di tipo V. Si notò anche che molti di questi dovevano essere “caduti” nella risonanza 3/1 con Giove. Che ne era stato di loro? Ebbene dopo poco sono stati scoperti parecchi NEA di tipo V. E, per finire, conosciamo molto bene delle meteoriti, dette “eucriti”, che sono proprio di tipo V.

Il viaggio si è concluso: siamo oggi sicuri che quando prendiamo in mano un’eucrite (si può anche comprare…) stiamo toccando un pezzo di roccia che proviene da Vesta attraverso complessi meccanismi sia fisici (craterizzazione, creazione di una famiglia) che dinamici (immissione nella risonanza, trasporto nella zona interna). Io penso sia un qualcosa di veramente entusiasmante ed affascinante (e, scusate la vanità, una delle mie più grandi soddisfazioni scientifiche, come ho raccontato QUI…).

Un’altra curiosità (se così vogliamo chiamarla …). Quando nella fascia asteroidale avviene una collisione talmente catastrofica da creare una “famiglia”, relativamente vicina ad una risonanza, il numero di NEA che si produce (nel giro di pochi milioni di anni) può essere anche migliaia di volte superiore a quello normale (come quello di oggi ad esempio). Questo fenomeno prende il nome di asteroid shower (doccia di asteroidi) e potrebbe essere molto pericoloso per noi in futuro, così come lo è stato per esseri più primitivi nel passato…

Vi presento per concludere una mia vignetta che illustra allegramente la creazione ed il trasporto di un frammento dalla fascia asteroidale fino al nostro pianeta. Ne sono piuttosto fiero, perché nella sua versione più “rozza” è stata pubblicata in molte riviste e soprattutto su una “seria” come Celestial Mechanics. Inoltre, era talmente piaciuta a Fred Whipple, che me ne aveva chiesta una copia “personalizzata”. A volte le soddisfazioni più grandi sono proprio infantili… ma ne sono molto contento lo stesso, anzi!

Un asteroide singolo subisce una “collisione” catastrofica con un altro. Nascono dei figli-frammenti che, non guardando dove mettono i piedi, finiscono per cadere in un macchinario molto complicato (la risonanza). A questo punto vengono scaraventati contro un pianeta che non è molto “contento” di vederseli arrivare addosso
Un asteroide singolo subisce una “collisione” catastrofica con un altro. Nascono dei figli-frammenti che, non guardando dove mettono i piedi, finiscono per cadere in un macchinario molto complicato (la risonanza). A questo punto vengono scaraventati contro un pianeta che non è molto “contento” di vederseli arrivare addosso

Quanto esposto precedentemente è ovviamente molto semplificato. Chi avesse dubbi o volesse saperne di più non abbia timore a chiedermi spiegazioni ulteriori. Sono a vostra disposizione!

 

QUI tutti gli articoli finora pubblicati della serie "I miei amici asteroidi"

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