Perché Giove gira veloce, ma non veramente veloce

Titolo: On the Terminal Rotation Rates of Giant Planets (pdf)
Autore: Konstantin Batygin (che abbiamo intervistato lo scorso maggio)
Istituzione del primo autore: California Institute of Technology
Stato: Accepted in AJ

Buona fortuna per dormire su Giove! Questo enorme gigante gassoso ruota più velocemente di qualsiasi altro pianeta del sistema solare, completando un giorno in meno di 10 ore! Se dovessi emigrare dalla Terra al più grande pianeta del nostro sistema solare e mirassi comunque a dormire le 8 ore giornaliere raccomandate per gli adulti, ti rimarrebbero meno di due ore al giorno per mangiare, fare esercizio e studiare astrofisica. Non è neanche lontanamente abbastanza tempo! I futuri abitanti delle città di nuvole di Giove non dovrebbero lamentarsi, però.

Quando Giove si è formato, ha accumulato la sua atmosfera (oltre il 95% della massa totale del pianeta!) dal gas idrogeno ed elio nel disco protoplanetario che circonda il nostro Sole. Man mano che Giove divorava questa massa di gas, deve aver cominciato a girare più velocemente, in quanto ha anche consumato il momento angolare del gas. Alla fine, avrebbe raggiunto la velocità di rottura, che è definita come il punto in cui gli strati superiori dell’atmosfera ruotano velocemente come farebbe un oggetto se fosse posto in orbita attorno al pianeta vicino alla superficie. A queste velocità, Giove non potrebbe ruotare più velocemente. Ingenuamente, ci aspetteremmo che Giove ruoti ancora oggi così velocemente. Tuttavia, se calcoliamo il periodo di rotazione di Giove in base alla sua velocità di rottura, otteniamo che un giorno gioviano non dovrebbe durare nemmeno 3 ore!

In realtà, gli abitanti di Giove dovrebbero essere grati che qualcosa sia riuscito a rallentare la rotazione del pianeta abbastanza da permettere loro di guardare i primi quattro film di Harry Potter in un giorno invece che in uno solo. Ma cosa?

Sappiamo da tempo che anche Saturno ruota molto più lentamente della sua velocità di rottura (11 ore rispetto a 4 ore). E come Eckhart ha riassunto nel suo astrobite di dicembre, ora sappiamo che anche gli esopianeti giganti gassosi ruotano più lentamente del previsto. Nel documento di oggi, Konstantin Batygin tenta di risolvere questo enigma diffuso con la soluzione che la gente si aspetterebbe di più: Il campo magnetico di Giove.

Copiare la risposta

Giove e Saturno non sono gli unici oggetti del sistema solare soggetti a questo mistero. Quando il Sole si è formato, anch’esso ha accretato gas idrogeno dal disco che lo circondava. Di conseguenza, ci aspetteremmo naturalmente che il Sole ruotasse ancora più velocemente di Giove. Eppure, un giorno solare dura quasi un mese, lasciando in qualche modo al Sole solo l’1% circa del momento angolare del sistema solare – anche se ha oltre il 99% della massa!

Un modo per il Sole, o per qualsiasi oggetto, di perdere momento angolare è quello di lanciare fuori parte del suo materiale. La spiegazione principale del perché stelle come il Sole ruotano in questo modo è chiamata frenata magnetica. In questo processo, il vento solare porta il materiale fuori dalla superficie proprio come fa oggi. Poi, parte di quel materiale si impiglia nelle linee del campo magnetico del Sole, che lo espellono ancora di più fuori dal Sole – portando con sé una parte significativa del momento angolare del Sole. Per conservare il momento angolare, il Sole dovrà rallentare la sua velocità di rotazione. Possono farlo anche i pianeti giganti gassosi?

Copiare non funziona

Giove non è proprio come una stella. Non ha un vento solare, quindi non può semplicemente buttare fuori materiale. Tuttavia, recenti ricerche su come i giganti gassosi accumulano le loro atmosfere possono offrire un’idea alternativa.

Mentre eravamo soliti assumere che Giove accumulasse gas direttamente al suo equatore, le moderne simulazioni mostrano che in realtà avrebbe dovuto raccogliere gas da sopra il suo “polo nord” (e sotto il suo “polo sud”). Come mostra la figura 1, non tutto il materiale viene mangiato da Giove. Parte di esso viene deviato verso l’esterno in un disco attorno a Giove – chiamato disco circumplanetario. Il disco poi riversa quel materiale nel disco più grande intorno alla stella – il disco protoplanetario da cui proviene. Questo compensa il fatto che Giove non abbia un vento solare e gli dà modo di lanciare fuori materiale e momento angolare.

Ruota più lentamente (a causa della frenata magnetica), poi più velocemente (a causa della contrazione gravitazionale)

La figura 2 mostra l’evoluzione del periodo di rotazione di Giove (cioè la lunghezza del suo giorno) dopo la sua formazione, con e senza frenata magnetica. In entrambi i modelli, Batygin assume che Giove inizi con il doppio del suo raggio prima che la gravità lo faccia contrarre alle dimensioni attuali in circa 1 Myr. Suppone anche che il pianeta inizi a ruotare alla velocità di rottura (circa 8 ore).

Senza alcun rallentamento, Giove semplicemente accelera mentre il pianeta si contrae per conservare il momento angolare. Ma con la frenata magnetica, Giove prima gira fino a un periodo di rotazione di 36 ore in circa 25.000 anni. Poi, la contrazione gravitazionale lo riporta ad un periodo di rotazione di 9 ore quando raggiunge il suo raggio attuale – abbastanza vicino al suo attuale periodo di rotazione di 9 ore e 56 minuti!

Ora che il modello in questo articolo ha dimostrato che la frenata magnetica può portare a circa il giusto periodo di rotazione per Giove (e anche Saturno), Batygin spera che il lavoro futuro esplorerà aspetti più meticolosi del problema relativi alla magnetoidrodinamica (MHD), sia con un approccio analitico (come con le equazioni in questo articolo) che con simulazioni (che non sono state usate direttamente in questo modello).

Gli astrofisici che vivono su Giove o su esopianeti giganti gassosi in altri sistemi stellari avranno molto più tempo al giorno per studiare questo problema. E potrebbero ringraziare sia i campi magnetici che il modo in cui questi pianeti hanno accresciuto la loro atmosfera.