Il pianeta nano Plutone e il suo sistema di cinque lune sono misteriosi quanto gli inferi dell'antichità che hanno ispirato i loro nomi. A circa 3, 7 miliardi di miglia dalla Terra, Plutone è l'unico dei nove pianeti originali che deve ancora essere osservato a distanza ravvicinata, anche se questo cambierà quando la sonda New Horizons esegue un sorvolo a metà luglio. Ha anche un numero non confermato di lune, che si aggiunge alle complicazioni del calcolo delle traiettorie orbitali.
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"Se hai sondato il mio team scientifico, sono abbastanza sicuro che la maggioranza sarebbe sorpresa di non trovare più lune", afferma Alan Stern, investigatore principale della missione New Horizons. “La domanda è: troveremo 2, o 10 o 20? Non metterei le mie scommesse a zero. "
Un nuovo studio pubblicato questa settimana su Nature ci aiuta a comprendere meglio le orbite delle lune conosciute di Plutone, che a loro volta possono offrire indizi sulla meccanica degli esopianeti che orbitano attorno alle stelle gemelle. Ma il lavoro indica anche alcune incongruenze che suggeriscono che la formazione di queste lune sia ancora un enigma.
Plutone e la sua luna più grande, Caronte, sono chiusi in una danza binaria, in orbita attorno a un centro di massa comune a causa della loro influenza gravitazionale l'uno sull'altro. Anche gli altri quattro satelliti noti in questo sistema - Styx, Nix, Kerberos e Hydra - orbitano attorno a quel centro comune anziché a Plutone stesso. Questo significa che hanno strane oscillazioni nelle loro orbite quasi circolari e si comportano diversamente dalle altre lune del sistema solare.
Questa complessa relazione orbitale, unita alla difficoltà di osservare il sistema distante, ha reso difficile capire come si formassero Plutone e la sua famiglia. La teoria principale è che, come il gigantesco impatto che ha formato la luna della Terra, Caronte nacque quando un grande oggetto si schiantò su Plutone durante la formazione violenta del sistema solare, e le altre piccole lune si accumularono dai detriti rimanenti.
Le immagini di New Horizons scattate ad aprile mostrano Plutone e Caronte in orbita attorno a un centro di massa comune. (GIF animate della NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute) "Siamo ancora sconcertati da come si è formato il sistema", afferma Mark Showalter, co-autore dello studio, ricercatore senior presso l'Istituto SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence). “Penso che tutti credano che, ad un certo punto in un lontano passato, un grande oggetto abbia colpito il" proto-Plutone "e le lune si siano formate dalla nuvola di detriti. Tuttavia, dopo quel punto della storia, i dettagli diventano molto imprecisi. "
Ora, l'analisi dei dati raccolti dal telescopio spaziale Hubble a seguito delle scoperte di Kerberos e Styx suggerisce che Styx è bloccato in una risonanza orbitale con Nix e Hydra, a supporto della teoria dell'impatto. La risonanza orbitale è quando più corpi esercitano una regolare, periodica influenza gravitazionale l'uno sull'altro in modo da completare le loro orbite secondo uno schema prevedibile. L'esempio più noto è la risonanza di Laplace delle tre lune di Giove, Io, Europa e Ganimede, che hanno una risonanza orbitale di 1: 2: 4. Ciò significa che Io orbita attorno a Giove quattro volte per ciascuna delle rotazioni di Ganimede, mentre Europa orbita due volte nello stesso tempo.
I modelli matematici di Showalter mostrano che le risonanze di tutte e cinque le lune di Plutone potrebbero essere state bloccate in una relazione 1: 3: 4: 5: 6 dopo l'impatto che forma Caronte, molto vicino all'attuale rapporto dei periodi orbitali per le lune di Plutone. Questa teoria spiega anche la risonanza residua di Styx, Nix e Hydra. Ma c'è un fattore complicante: gli altri corpi nel sistema Plutone iniettano il caos nella configurazione altrimenti stabile di quelle lune.
Styx, Nix e Hydra sembrano essere bloccati in risonanza per la maggior parte del tempo, ma Nix e Hydra vengono periodicamente gettati nel caos ed è stato difficile stabilire la causa. Le orbite caotiche si verificano quando l'asse di rotazione di un oggetto non sferico oscilla in modo significativo, impedendogli di cadere in un'orbita sincrona. La luna "spugna" di Saturno Hyperion ruota caoticamente, per esempio, e gli astronomi credono che il suo movimento traballante sia causato dalla risonanza orbitale 3: 4 di Hyperion con la luna più grande Titano. Ma i nuovi modelli fotometrici e dinamici gestiti da Showalter suggeriscono che un sistema binario come Plutone e Caronte può anche far ruotare caoticamente le lune non sferiche, quindi anche con le orbite caotiche di Nix e Hydra, lo scenario di impatto sembra ancora plausibile.
Un'immagine di Hubble del 2012 cattura Plutone con le sue cinque lune conosciute. (NASA, ESA e M. Showalter (SETI Institute)) Kerberos, tuttavia, lancia una chiave inglese nella teoria dell'impatto. Sulla base dei dati osservativi di Hubble, Nix e Hydra sembrano essere oggetti luminosi, simili a Charon. Ma Kerberos sembra molto più scuro. Con una massa che è all'incirca un terzo di quella di Nix e Hydra, Kerberos riflette solo il 5% circa della luce solare. Se le lune più piccole di Plutone si formassero dal materiale aggregato di una singola collisione maggiore, avrebbero una relazione diretta tra dimensione e luminosità. Un sistema satellitare eterogeneo, come quello di Plutone, sembra essere un enigma.
"Questa ricerca è un po 'come l'archeologia", afferma Showalter. "Abbiamo appena scoperto alcuni pezzi di antiche ceramiche ma non sappiamo ancora come si incastrano insieme."
Il sorvolo di New Horizons del sistema Plutone il 14 luglio aiuterà a rispondere a molte delle domande sollevate nel documento di Nature . Gli strumenti di New Horizons saranno in grado di determinare se Kerberos è veramente più scuro delle altre lune e prenderanno misurazioni accurate delle forme di tutte le lune di Plutone. Forse il più eccitante, il flyby rivelerà se esistono altre lune o anelli che influenzano la complessa meccanica orbitale del sistema Plutone.
"Ogni sistema planetario ha una storia di formazione da raccontare", spiega Showalter. “Comprendere le loro storie ci aiuta a comprendere altri tipi di dischi astrofisici, tra cui galassie e sistemi esoplanetari. Esistono molti "pianeti circumbinari" noti che orbitano attorno a due stelle anziché a una: pensa a Luke Skywalker al tramonto su Tatooine. Penso che il sistema Pluto ci mostri nuovi dettagli su come funzionano questi sistemi dinamici molto più grandi. "
