11/11/17

I MIEI AMICI ASTEROIDI (8): L’importanza degli asteroidi e la saggezza di Vesta

Il titolo non è di quelli che catturano... Non si parla, infatti, di collisioni o di distruzioni del genere umano. Per cui, spesso si decide di soprassedere e lasciare questi pezzetti di roccia dove stanno e pensare ai misteriosi giganti dell’Universo (non nel nostro blog, però, dove le dimensioni non hanno importanza!). E’ un vero peccato, perché molte conquiste scientifiche si devono proprio a questi corpi minori che hanno caratteristiche impossibili da trovare altrove. In particolare, essi - nel loro piccolo - sono stati capaci di dimostrare la veridicità di molte ipotesi teoriche e di processi non rivelabili  nei giganti cosmici.

Tralascio la fondamentale ricaduta che hanno avuto sullo sviluppo della meccanica celeste, proprio quella materia che ci ha permesso di viaggiare nel Sistema Solare, mettere i robottini su Marte e mandare Rosetta sulla sua cometa. Solo un breve cenno. La meccanica celeste cerca di risolvere uno dei pochi problemi ancora insoluti da un punto di vista analitico: il problema degli N-corpi. Ossia, poter prevedere come si muovono gli oggetti (anche artificiali) sotto l’effetto gravitazionale di molti corpi celesti. Nel Sistema Solare siamo in queste condizioni e le leggi di Keplero sono solo una misera approssimazione.

Lo studio della meccanica celeste è stato teatro del pensiero di alcune delle più luminose menti dei secoli scorsi, ma ha portato solo a teorie, a simulazioni, a ipotesi da verificare. Ci voleva qualcosa che servisse come banco di prova. Ed ecco che gli  asteroidi, così numerosi e così piccoli, sono apparsi come un regalo inaspettato e unico. Essi mostravano tutte le possibili soluzioni che un corpo di massa trascurabile poteva mostrare una volta  immerso in un campo gravitazionale estremamente complesso. Sono nate le risonanze di moto medio, quelle secolari, i Troiani posti nei punti lagrangiani e mille altre configurazioni che sembravano destinate a rimanere nell’ambito puramente teorico e nulla più.

Un po’ alla volta, sono serviti a verificare teorie sempre più approfondite e ardite e, alla fine, a lanciare navicelle artificiali, conoscendo ormai tutto ciò che poteva capitare loro. Mi sento di dire che senza lo studio della dinamica asteroidale, l’astronautica non sarebbe potuta nascere così velocemente. Per più di un secolo e mezzo gli asteroidi sono stati considerati come punti immateriali (o quasi) in grado di mostrare direttamente tutto ciò che i meccanici celesti riuscivano a immaginare e a chiedersi. Davano una veloce risposta a qualsiasi dubbio.

Il miglioramento delle tecnologie osservative ha, infine, permesso, verso gli anni ’60-’70, di cominciare a pensarli come entità fisiche di enorme valore intrinseco. La svolta fu data a Tucson, nel 1971, con il primo grande congresso sugli asteroidi, ripetutosi poi nel 1979. Essi, non solo rappresentavano materiale praticamente immutato risalente alla nascita del Sistema Solare, veri e propri fossili viventi, ma mostravano caratteristiche geometriche e fisiche in grado di aprire nuovi orizzonti di ricerca.

Con la fotometria fotoelettrica si iniziarono a studiare la rotazione e la forma e a scorgere nuove potenzialità capaci di verificare teorie impossibili da testare altrove nel Cosmo. Ancora una volta, erano tanti, così tanti da rappresentare un gruppo statisticamente valido. Inoltre, avevano dimensioni senza salti improvvisi, che andavano da pochi metri a centinaia di chilometri. Infine, si scontravano continuamente tra loro e si riducevano spesso in frammenti.

La curva di luce fotometrica dell’asteroide Eros, ottenuta dallo scrivente all’Osservatorio Astronomico di Torino. I massimi e i minimi di luce corrispondono ad aree maggiori e minori mostrate all’osservatore durante la rotazione dell’asteroide attorno al proprio asse.
La curva di luce fotometrica dell’asteroide Eros, ottenuta dallo scrivente all’Osservatorio Astronomico di Torino. I massimi e i minimi di luce corrispondono ad aree maggiori e minori mostrate all’osservatore durante la rotazione dell’asteroide attorno al proprio asse.

Si arrivò così alla fine degli anni ’70.  A questo punto, ho il grande piacere di raccontarvi una storia scientifica a cui ho partecipato in prima persona e che (nel suo piccolo) ha rivoluzionato la visione di questi oggetti così piccoli, brutti e vicini (come mi aveva detto un Premio Nobel per la fisica, l'ho raccontato QUI…). Era il periodo in cui stavo collaborando con Ed Tedesco del LPL (Lunar Planetary Laboratory) di Tuscon, Arizona, sull’analisi dei dati rotazionali degli asteroidi. Sia direttamente che tramite una bibliografia sempre crescente, avevamo ormai a disposizione decine di periodi di rotazione e di forme approssimate dei piccoli pianeti. In realtà, più che le forme, le curve di luce degli asteroidi fornivano il periodo e l’ampiezza totale della variazione luminosa che era, però, correlata alla forma geometrica. Potevamo finalmente passare a uno studio statistico di queste proprietà e cercare di vedere se vi erano correlazioni fisicamente rilevanti tra i vari parametri fisici e dinamici.

Ci scontrammo contro le idee correnti che tendevano alla semplicistica ipotesi che più si era piccoli e più si ruotava velocemente. Noi dimostrammo il contrario o quasi: i piccoli ruotavano un po’ in tutti i modi, mentre quelli di dimensioni medie (100 – 300 km) ruotavano più velocemente e la deviazione rispetto al valor medio era decisamente piccola. I più grandi, infine, avevano periodi di rotazione abbastanza costanti, intorno alla decina di ore. Fu una dura lotta, soprattutto perché DOVEVAMO pubblicare la nostra ricerca su una rivista americana, dove avrebbe avuto una  diffusione molto più grande. Purtroppo i “referee” (arbitri) delle riviste più prestigiose erano solo americani e la faccenda diventava complicata per uno scienziato europeo (almeno a quei tempi… poi cambiò, ma è un’altra storia che ho raccontato QUI... e poi c'è chi dice che io non litigo mai!)

Per ottenere questo risultato fu molto utile la collaborazione con un collega d’oltreoceano. Se no… chissà. Ci riuscimmo e mettemmo in evidenza una classe peculiare di oggetti, i LASPA (Large Amplitude Short Period Asteroids), asteroidi piuttosto grandi che mostravano grandi ampiezze della curva di luce (forme allungate) e periodi di rotazione molto corti (poche ore). L’articolo originale si può trovare QUI.

Nello stesso periodo avevo iniziato a collaborare con un paio di giovani e brillanti colleghi di Pisa, Paolo Farinella e Paolo Paolicchi, sulla costruzione teorica di un modello di asteroide binario. Farinella, in particolare, si era laureato con una tesi sulle forme di equilibrio dei liquidi, seguendo la celebre descrizione del premio Nobel indiano Subrahmanyan Chandrasekhar.

Ne parlammo un po’ insieme e l’idea scaturì abbastanza facilmente. Gli asteroidi hanno una vita collisionale molto intensa ed è facile che durante la loro vita anche quelli di dimensioni medio-grandi siano stati completamente frantumati da un fratellino più piccolo. Cosa può succedere ai frammenti?  In verità, molte cose, in funzione del diametro. Iniziammo, così, il primo passo nello studio dell’evoluzione collisionale degli asteroidi.

I più piccoli altro non sono che frammenti singoli, scappati a seguito dell’urto catastrofico e immessi su orbite del tutto indipendenti. I più grandi non hanno probabilmente mai subito urti veramente distruttivi e mantengono la forma e il periodo di rotazione originari (o quasi), segnati da qualche grande “ferita” (Vesta ne è un esempio). Quelli medio-grandi sono i più interessanti.

Alcuni frammenti riescono a scappare alla mutua attrazione gravitazionale, ma rimangono su orbite abbastanza simili (famiglie di asteroidi). Molti di essi, però, ricadono uno sull’altro e riformano un oggetto di dimensioni considerevoli composto da una serie di frammenti legati tra loro solo dall’autogravitazione.

A loro è stato dato il nome di “piles of rubble”, mucchi di pietre. Molti di questi si presentavano proprio come LASPA, ossia oggetti molto allungati e in rapida rotazione. La soluzione ci sembrò abbastanza semplice e unica tra tutti gli oggetti osservabili dell’Universo. Avevamo di fronte corpi celesti che simulavano molto bene i liquidi incompressibili, proprio quelli teorizzati e trattati da Chandrasekhar.  I vari frammenti, infatti, potevano spostarsi e sistemarsi sotto l’effetto della rotazione, ma non potevano compenetrarsi.

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 dei “pile of rubbles”(ammasso di detriti) da parte degli astronomi.
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 dei “pile of rubbles”(ammasso di detriti) da parte degli astronomi.

Le stelle sono sfere di gas che,  sotto l’effetto di una rapida rotazione, si possono schiacciare ai poli, ma non sono liquidi incompressibili e lo sappiamo molto bene (nane bianche, stelle di neutroni, buchi neri). I pianeti rocciosi sono tenuti assieme non solo dalla gravità, ma anche dalle forze di stato solido e quindi mantengono una forma abbastanza sferica. Solo questi strani asteroidi, piccoli ma non troppo e di costituzione quasi “liquida”, potevano seguire la teoria del grande fisico indiano! E Potevano rappresentare il punto di passaggio tra oggetti dominati dalle forze di stato solido (schegge irregolari) e oggetti dominati dall'autogravitazione.

Partimmo in quarta e stabilimmo una storia evolutiva della forma degli asteroidi del tipo “pile of rubble” o LASPA, un unicum tra gli oggetti del Cosmo (QUI). Essi avevano subito un urto violento (mediamente fuori asse)  e quindi il loro momento angolare era notevolmente aumentato. Aumento di momento angolare vuole dire (spesso) aumento della velocità di rotazione in parte bilanciata dall’allungamento della forma. Non basta però. La forma può restare quella classica acquisita anche da molte stelle e pianeti essenzialmente gassosi: lo sferoide a due assi; in altre parole, un ellissoide che ha l’asse minore (c) come asse di rotazione e gli altri due uguali fra loro.

Se il momento angolare aggiunto non è molto grande, l’asteroide “liquido” assume la forma di un ellissoide a due assi (a=b>c). In questa situazione la curva di luce non mostra un’ampiezza rilevante, in quanto l’area apparente vista dall’osservatore (all’equatore dell’asteroide) è sempre πac
Se il momento angolare aggiunto non è molto grande, l’asteroide “liquido” assume la forma di un ellissoide a due assi (a=b>c). In questa situazione la curva di luce non mostra un’ampiezza, in quanto l’area apparente vista dall’osservatore (all’equatore dell’asteroide) è sempre πac

Questo non poteva, però, essere il caso dei LASPA. Infatti, per osservare un’ampiezza notevole della curva di luce fotometrica è necessario che i due assi maggiori (a e b, ossia quelli equatoriali) siano diversi tra loro e anche di tanto.

L’ellissoide di Jacobi (a tre assi, a>b>c) si origina dallo sferoide a due assi per eccesso di momento angolare. In questo caso la curva di luce va da un massimo (quando l’area mostrata è πac) a un minimo quando l’area è πbc. Questo è proprio quanto mostrato dai LASPA.
L’ellissoide di Jacobi (a tre assi, a>b>c) si origina dallo sferoide a due assi per eccesso di momento angolare. In questo caso la curva di luce va da un massimo (quando l’area mostrata è πac) a un minimo quando l’area è πbc. Questo è proprio quanto mostrato dai LASPA.

L’ampiezza della curva di luce vista equatorialmente (ossia al suo massimo) è data proprio da una costante moltiplicata per il logaritmo del rapporto tra i due assi maggiori. I LASPA dovevano perciò essere ellissoidi a tre assi, proprio quelli che aveva predetto Chandrasekhar e che vengono chiamati ellissoidi di Jacobi.

La forma di un oggetto liquido tenuto insieme dall’autogravitazione e sotto l’effetto di un momento angolare crescente, diventa prima uno sferoide a due assi e poi, per un certo valore critico, diventa instabile e si trasforma in un ellissoide di Jacobi. Assumendo questa configurazione raggiunta solo dagli asteroidi del tipo “pile of rubble” era anche possibile calcolare la densità totale e fornire una stima della percentuale di zone vuote, tra frammento e frammento.

Se il momento angolare fosse aumentato ancora, anche l’ellissoide a tre assi sarebbe diventato instabile e si sarebbe separato in due ellissoidi con rapporto di massa non molto diverso da uno. La rotazione sarebbe diminuita in quanto l’aumento di momento angolare si sarebbe trasferito in momento orbitale del sistema doppio.

Oggi, la nostra ipotesi è stata dimostrata dai fatti e sono stati osservati anche gli asteroidi doppi per fissione  (Antiope e Patroclo, più altri che non sono ancora stati separati definitivamente, come Ettore, Kleopatra, ecc.). Anche la densità totale trovata è stata confermata in pieno (più bassa del materiale dei singoli frammenti in quanto deve essere considerato anche il vuoto esistente tra loro).

Due asteroidi doppi con compagni di massa comparabile. Essi sono probabilmente sistemi binari formatisi per eccesso di momento angolare su un ellissoide di Jacobi. A sinistra Antiope e a destra Patroclo.
Due asteroidi doppi con compagni di massa comparabile. Essi sono probabilmente sistemi binari formatisi per eccesso di momento angolare su un ellissoide di Jacobi. A sinistra Antiope e a destra Patroclo.

Insomma, una bella rivincita dei piccolibrutti e vicini  asteroidi!

Questo passaggio da oggetti auto gravitanti a frammenti irregolari dominati dalle forze di stato solido è proprio servita per stabilire una delle regole di identificazione dei “pianeti nani”. Se l’oggetto celeste (sia sotto forma di pile of rubble, sia di composizione omogenea) riesce a mantenere una forma d’equilibrio, ossia le irregolarità superficiali vengono smussate e ridotte per effetto gravitazionale,  entra nella categoria dei pianeti nani. Altrimenti rimane corpo minore.

Vesta_full_mosaic

Come già detto, Vesta, non è riuscito ad assumere una forma d’equilibrio, dato che il suo cratere più grande ha irregolarità superficiali che superano quelle di un corpo completamente auto gravitante. E’ stato quindi escluso dalla classe “superiore”, malgrado si sia  comportato, da un punto di vista di evoluzione termica, proprio come un pianeta vero e proprio.  Comunque, nessuno ha sollevato polemiche o discussioni come fatto per Plutone e si è accettata un'ovvia limitazione, tipica di ogni  "fredda" classificazione. Niente di male, ovviamente, per chi capisce il valore relativo delle divisioni in categorie  (quando si parla di corpi celesti): buchi neri o asteroidi sono tutti figli del Cosmo e hanno lo stesso valore scientifico!

Tuttavia, la diversa reazione mostrata dai cosiddetti “astrofili hobbistici” - o finti appassionati dell’Universo - è stata molto utile per evidenziarli. Chi ha tifato Plutone e non Vesta dimostra che di Universo ha capito ben poco e rientra perfettamente nella visione mediatica che Philae ci ha mostrato recentemente.

Fortunatamente, questo blog non misura gli attori del Cosmo con il "metro" e nemmeno segue con la bocca aperta e il cervello spento i “consigli per gli acquisti” della TV o della maggior parte dei giornali (per non parlare del web…).

Ragazzi miei, che veri  "signori"  sono stati  Vesta e i suoi tifosi...

QUI il mio viaggio su Vesta, purtroppo solo virtuale...

 

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

 

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