Formazione e futuro del Sistema Solare

Escludendo qualche fenomeno imprevisto, si ipotizza che il sistema solare come lo conosciamo oggi durerà per altri 5 miliardi di anni circa, quando il Sole aumenterà gradualmente la propria luminosità di circa il 10% oltre i livelli attuali; tale aumento di radiazione renderà la superficie della Terra inabitabile, mentre la vita potrà ancora resistere negli oceani più profondi. In questo periodo è possibile che la temperatura della superficie di Marte aumenti gradualmente e l’anidride carbonica e l’acqua attualmente congelate sotto la superficie del suolo vengano liberate nell’atmosfera creando un effetto serra in grado di riscaldare il pianeta fino ad ottenere condizioni paragonabili a quelle odierne della Terra e fornendo una futura dimora potenziale per la vita. In circa 3,5 miliardi di anni le condizioni climatiche della Terra saranno simili a quelle che oggi caratterizzano Venere: gli oceani saranno evaporati e la vita – nelle forme che oggi conosciamo – sarà impossibile.

La Nebulosa anello, una nebulosa planetaria simile a quella in cui il Sole si evolverà
In circa 5,4 miliardi di anni, il Sole terminerà le riserve di idrogeno. In circa 7,59 miliardi di anni da oggi il Sole entrerà nella fase di gigante rossa iniziando a bruciare gli strati di idrogeno più esterni dell’inerte nucleo di elio formatosi, espandendosi a circa 256 volte l’attuale diametro, 1.2 AU. Con l’espansione del Sole, Mercurio e Venere verranno inghiottiti. Il destino della Terra è possibile che sarà il medesimo, anche se ci sono alcuni studi che parlano di un allontanamento dell’orbita terrestre dal Sole a causa della graduale perdita di massa di quest’ultimo. Durante questo periodo è possibile che corpi esterni in orbita attorno a Fascia di Kuiper, su cui è presente ghiaccio, ad esempio Plutone e Caronte, possano raggiungere condizioni ambientali compatibili con quelle richieste dalla vita umana.
Successivamente l’elio prodotto nello strato esterno cadrà nel nucleo della stella aumentandone la densità fino al livello sufficiente per innescare la fusione dei nuclei di elio in nuclei di carbonio. A questo punto il Sole dovrebbe contrarsi ad una dimensione poco maggiore dell’attuale e consumare il proprio elio per circa altri 100 milioni di anni. Nuovamente andrà poi incontro ad un’espansione come gigante rossa in cui consumerà l’elio degli strati più esterni per altri 100 milioni di anni e successivamente collasserà di nuovo espellendo una grande quantità di materia nello spazio attorno a sé, formando un guscio di gas noto come nebulosa planetaria.
Sarà una transizione relativamente tranquilla, niente di paragonabile ad una supernova, dato che la massa del nostro Sole è ampiamente insufficiente per arrivare a quel livello. Se vi saranno ancora terrestri per osservare il fenomeno, registreranno un massiccio incremento del vento solare, ma senza che questo provochi la distruzione del pianeta.
Ciò che infine resterà del Sole sarà una nana bianca, un oggetto straordinariamente caldo e denso, di massa circa metà di quella originale, ma compressa in un volume simile a quello della Terra. Visto dalla Terra apparirà come un punto di luce grande poco più di Venere ma dalla luminosità di centinaia di soli.
Con la morte del Sole verrà indebolita la sua attrazione gravitazionale sugli altri oggetti del sistema solare; le orbite di Marte e degli altri corpi andranno espandendosi. La configurazione finale del sistema solare sarà raggiunta quando il Sole avrà completato la sua trasformazione in nana bianca: se la Terra e Marte esisteranno ancora, sarà su un’orbita approssimativamente simile a quella 1,85 e 2,80 UA. Dopo altri due miliardi di anni il nucleo del Sole, costituito da carbonio, inizierà a cristallizzare trasformandosi in un diamante di dimensioni planetarie, destinato a spegnersi e cessare di splendere in qualche altro miliardo di anni.

Storia delle ipotesi sulla formazione del sistema solare

Verso la fine del XIX secolo l’ipotesi della nebulosa di Kant-Laplace fu criticata da James Clerk Maxwell, che sosteneva l’impossibilità della materia di collassare a formare pianeti coesi se la materia fosse stata distribuita in un disco attorno al Sole, per via delle forze indotte dalla rotazione differenziale. Un’altra obiezione era il momento angolare del Sole, inferiore a quanto previsto dal modello di Kant-Laplace. Per molti decenni la maggior parte degli astronomi preferì l’ipotesi della “mancata collisione”, ovvero della formazione dei pianeti a partire dalla materia che una stella in transito vicino al Sole avrebbe perso e avrebbe strappato al Sole per azione reciproca delle loro forze di marea. Furono avanzate obiezioni anche all’ipotesi della “mancata collisione” e, durante gli anni quaranta i modelli matematici a sostegno dell’ipotesi nebulare furono migliorati e convinsero la comunità scientifica. Nella versione modificata si assunse che la massa della protostella fosse maggiore e la discrepanza di momento angolare attribuita alle forze magnetiche, ovvero alle onde di Alfvén, attraverso cui il neonato Sole trasferisce parte del suo momento angolare al disco protoplanetario e ai planetesimi, come osservato avvenire in alcune stelle, per esempio T Tauri. Negli anni cinquanta il russo Immanuil Velikovskij pubblicò il libro “Mondi in collisione”, ripreso molto tempo dopo dall’americano John Ackerman. I due ricercatori hanno proposto un controverso modello secondo il quale il sistema solare avrebbe avuto origine da un impatto di enorme potenza sul pianeta Giove. Il modello della nebulosa riveduto e corretto fu basato interamente su osservazioni condotte sui corpi del nostro sistema solare, in quanto l’unico conosciuto fino a metà degli anni ’90. Non si era del tutto certi della sua applicabilità ad altri sistemi planetari, benché la comunità scientifica fosse ansiosa di verificare il modello a nebulosa trovando nel cosmo altri dischi protoplanetari o persino pianeti extrasolari. Nebulose stellari e dischi protoplanetari sono stati osservati nella nebulosa di Orione e in altre regioni di formazione delle stelle grazie al telescopio spaziale Hubble. Alcuni di questi dischi hanno diametri maggiori di 1 000 UA. Nel gennaio 2006 risultano scoperti 180 pianeti extrasolari, che hanno riservato numerose sorprese. Il modello della nebulosa ha dovuto essere rivisto per spiegare le caratteristiche di questi sistemi planetari. Non c’è consenso su come spiegare la formazione degli osservati pianeti giganti su orbite molto vicine alla loro stella (“hot Jupiters“), anche se tra le ipotesi possibili vi sono la migrazione planetaria e il restringimento dell’orbita dovuto ad attrito con i residui del disco protoplanetario. In tempi recenti è stato sviluppato un modello alternativo basato sulla cattura gravitazionale, che nelle intenzioni dei suoi propugnatori dovrebbe spiegare alcune caratteristiche del sistema solare non spiegate dalla teoria della nebulosa.

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