Perché i pianeti come Tatooine sono rari? Colpa della relatività generale

Gli astronomi hanno trovato migliaia di esopianeti intorno a singole stelle, ma pochi intorno a stelle binarie — anche se entrambi i tipi di stelle sono ugualmente comuni. I fisici ora possono spiegare la scarsità.

Tra le oltre 4.500 stelle note per avere pianeti, spicca una statistica sconcertante.

Anche se quasi tutte le stelle si prevede che abbiano pianeti e la maggior parte delle stelle si forma in coppia, i pianeti che orbitano attorno a entrambe le stelle in una coppia sono rari.

Dei più di 6.000 pianeti extrasolari, o esopianeti, confermati finora — la maggior parte dei quali trovati dal telescopio spaziale Kepler della NASA e dal Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) — solo 14 sono stati osservati orbitare attorno a stelle binarie.

Dovrebbero essercene centinaia. Dove sono tutti i pianeti con due soli, come Tatooine in Star Wars?

Gli astrofisici dell’Università della California, Berkeley, e dell’Università Americana di Beirut hanno ora proposto una ragione per questa scarsità di esopianeti circumbinari — e la colpa è della teoria generale della relatività di Einstein.

Nella maggior parte dei sistemi stellari binari, le stelle hanno masse simili ma non identiche e orbitano l’una intorno all’altra in orbite a forma di uovo o ellittica.

Se un pianeta orbita attorno alla coppia di stelle, le attrazioni gravitazionali delle stelle fanno precedere l’orbita del pianeta, il che significa che l’asse orbitale ruota in modo simile a come ruota o precede l’asse di una crosta rotante nella gravità terrestre.

Anche l’orbita delle stelle binarie precede, ma principalmente a causa della relatività generale.

Col tempo, le interazioni di marea tra la coppia binaria riducono l’orbita, il che ha due effetti: il tasso di precessione delle stelle aumenta, ma il tasso di precessione del pianeta rallenta.

Quando i due tassi di precessione si corrispondono o risuonano, l’orbita del pianeta diventa estremamente allungata, allontanandolo dalla stella ma anche avvicinandosi al suo avvicinamento più ravvicinato.

“Possono succedere due cose: o il pianeta si avvicina molto, molto al binario, subendo una perturbazione delle maree o viene inghiottito da una delle stelle, oppure la sua orbita viene significativamente disturbata dal binario per essere infine espulsa dal sistema,” ha detto Mohammad Farhat, Miller Postdoctoral Fellow all’UC Berkeley e primo autore dell’articolo. ” In entrambi i casi, ti liberi del pianeta.”

“Sicuramente ci sono pianeti là fuori. È solo che sono difficili da rilevare con gli strumenti attuali,” ha detto il coautore Jihad Touma, professore di fisica all’Università Americana di Beirut.

Hanno pubblicato i loro risultati l’8 dicembre su The Astrophysical Journal Letters.

‘Un deserto assoluto’

Sia le missioni Kepler che TESS cercavano esopianeti cercando un leggero oscuramento di una stella mentre un pianeta passava davanti a essa.

Ma Kepler ha trovato anche circa 3.000 stelle binarie eclissanti, mentre una delle due stelle passava davanti all’altra.

Poiché circa il 10% delle stelle simili a singole soli è stato trovato con pianeti massicci, gli astronomi si aspettavano di vedere pianeti grandi circa circa il 10% dei binari — o circa 300 stelle.

Invece, sono stati trovati solo 47 pianeti candidati attorno a stelle binarie, e solo 14 sono stati confermati come pianeti circumbinari in transito.

Nessuno di questi 14 esopianeti si presenta attorno a binari stretti che orbitano l’uno intorno all’altro in meno di circa sette giorni.

“C’è una scarsità di pianeti circumbinari in generale e un vero deserto attorno ai binari con periodi orbitali di sette giorni o meno,” dice Farhat.

“La stragrande maggioranza dei binari eclissanti sono binari stretti e sono proprio i sistemi attorno ai quali ci aspettiamo di trovare pianeti circumbinari in transito.”

Farhat sottolinea che i binari hanno una zona di instabilità intorno a loro in cui nessun pianeta può sopravvivere.

All’interno di quella zona, le interazioni a tre corpi tra le due stelle e il pianeta o espellono il pianeta dal sistema o lo attirano abbastanza vicino da fondersi o essere distrutto dalle stelle.

Curiosamente, 12 dei 14 esopianeti noti in transito attorno a binari stretti si trovano appena oltre il bordo della zona di instabilità, dove apparentemente migrarono da più lontano, poiché i pianeti avrebbero difficoltà a formarsi lì.

“I pianeti si formano dal basso verso l’alto, attaccando insieme i planetesimi su piccola scala.

Ma formare un pianeta al limite della zona di instabilità sarebbe come cercare di attaccare insieme fiocchi di neve durante un uragano,” ha detto.

Farhat aveva precedentemente collaborato con Touma sulla formazione e evoluzione delle orbite planetarie in vari sistemi stellari, incluso il nostro.

Ma Touma aveva anche interesse per le orbite dei buchi neri binari e delle stelle binarie.

Dieci anni fa si rese conto che la relatività generale avrebbe dovuto cambiare il modo in cui i pianeti si muovono attorno ai sistemi a doppia stella, ma non sapeva se l’effetto fosse abbastanza forte da contare.

Dopo aver approfondito gli esopianeti, tuttavia, suggerì che i sottili tiri e spinte della relatività—combinati con le stelle che si avvicinano lentamente—potessero spiegare il mistero dei pianeti mancanti attorno a binari stretti.

Utilizzando modelli matematici e computerizzati, Farhat e Touma scoprirono che la relatività generale aveva un effetto drammatico sul destino dei pianeti circumbinari, eliminando di fatto qualsiasi pianeta vicino all’interno.

Secondo i loro calcoli, gli effetti relativistici generali interromperebbero otto esopianeti su dieci attorno a binari stretti, e di questi, il 75% verrebbe distrutto nel processo.

La precessione dell’orbita di Mercurio

Proposta da Albert Einstein nel 1915, la teoria generale della relatività interpreta la gravità come una deformazione del tessuto dello spaziotempo da parte di una massa, analoga a come una persona su un trampolino deforma la superficie e fa cadere altri oggetti sul trampolino verso l’interno.

L’orbita di Mercurio è la più vicina alla curvatura gravitazionale del Sole e, di conseguenza, subisce una precessione orbitale leggermente superiore a quella prevista dalla precedente teoria della gravità esposta da Isaac Newton.

La spiegazione relativistica generale per la precessione aggiuntiva dell’orbita di Mercurio più di un secolo fa fu la prima conferma della teoria di Einstein.

Lo stesso effetto si manifesta quando due oggetti si avvicinano l’uno all’altro, come le stelle binarie molto unite.

Le stelle binarie probabilmente iniziano la loro vita lontane, ma poiché interagiscono con il gas circostante durante la formazione del loro sistema stellare, si prevede che molte coppie si avvicineranno nel corso di decine di milioni di anni.

Quando succede, generano maree l’una nell’altra che lentamente, nel corso di miliardi di anni, riducono ulteriormente l’orbita.

Col tempo, man mano che si restringono a periodi di circa una settimana o meno, la precessione relativistica generale diventa sempre più importante.

Questo rende la precessa dell’orbita, il che significa che anche il punto di avvicinamento più vicino, o periastron, ruota. Man mano che le stelle si avvicinano sempre di più, il tasso di precessione aumenta.

Un esopianeta circumbinario vede anche il suo asse ellittico precesso, in questo caso a causa della trazione gravitazionale delle due stelle — un processo strettamente newtoniano.

Tuttavia, man mano che i binari si avvicinano tra loro, la loro perturbazione del pianeta si indebolisce gradualmente e la precessione rallenta.

Man mano che la precessione orbitale delle stelle binarie aumenta e quella dell’esopianeta diminuisce, a un certo punto queste si abbinano e entrano in uno stato di risonanza.

A questo punto, i calcoli mostrano che l’orbita dell’esopianeta inizia ad allungarsi, allontanandolo dal binario nel punto estremo della sua orbita ma più vicino al periastron.

Quando il periastrone entra nella zona di instabilità, l’esopianeta viene o esiliato nelle estremità del sistema o si avvicina troppo al binario e viene inghiottito.

Poiché questa interruzione avviene rapidamente, richiedendo alcune decine di milioni di anni nella vita di una stella che dura miliardi di anni, gli esopianeti attornati a binari stretti finiscono per essere molto rari.

“Un pianeta catturato dalla risonanza vede la sua orbita deformarsi in eccentricità sempre più elevate, precessando sempre più velocemente pur restando in sintonia con l’orbita del binario, che si sta riducendo,” disse Touma.

“E lungo il percorso, incontra quella zona di instabilità attorno ai binari, dove gli effetti a tre corpi si attivano e sgomberano gravitazionalmente la zona.”

“Solo il modo naturale in cui si formano questi binari stretti, questi binari sotto i sette giorni, si elimina il pianeta naturalmente, senza provocare ulteriori disordini da una stella vicina o altri meccanismi,” disse Farhat.

Secondo Touma, gli stessi processi probabilmente spazzeranno via più pianeti dai sistemi binari — specialmente quelli rilevabili da Kepler o TESS.

I ricercatori stanno utilizzando i loro modelli per determinare come gli effetti relativistici generali influenzino gli ammassi di stelle attorni a coppie di buchi neri supermassivi e se, in modo più speculativo, la relatività generale possa spiegare parzialmente la scarsità di pianeti attorno ai pulsar binari — due stelle di neutroni rotanti in orbita l’una attorno all’altra ed emettono impulsi radio con precisione temporizzati.

Questo lavoro illustra il ruolo fondamentale svolto dalla rivoluzionaria teoria della gravità di Einstein anche in sistemi semplici in cui si pensava che le leggi gravitazionali di Newton spiegassero tutto.

“Curiosamente, quasi un secolo dopo i calcoli di Einstein, le simulazioni al computer mostrarono come effetti relativistici potessero aver salvato Mercurio dalla diffusione caotica fuori dal sistema solare. Qui vediamo effetti correlati che stanno disturbando i sistemi planetari,” ha detto Touma. “La relatività generale sta stabilizzando i sistemi in alcuni modi e disturbandoli in altri.”

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