Simulation of images of a protoplanetary disk after a collision with a gas stream

Le giovani stelle non nascono sole nel silenzio dello spazio; esse emergono da vaste e vorticose nubi di gas e polvere che alla fine si appiattiscono in dischi. Questi dischi protoplanetari sono le culle dove i pianeti iniziano a formarsi, ruotando attorno alle loro stelle madri come una giostra cosmica. Per decenni, gli astronomi si sono chiesti come questi dischi crescano e cambino. Recenti osservazioni con i telescopi più potenti del mondo hanno rivelato che questi dischi non sono isole isolate. Al contrario, sono spesso alimentati da stretti e densi flussi di gas che provengono dalla nube circostante, un processo che continua molto tempo dopo che la stella stessa si è formata. Questi flussi, noti come streamer, si abbattono sui dischi rotanti, consegnando nuovo materiale ed energia. Comprendere esattamente cosa accada quando questi due flussi cosmici collidono è cruciale, poiché modella l'ambiente in cui nascono nuovi mondi e può persino alterare la composizione chimica del futuro sistema solare.

Un team di ricercatori dell'Osservatorio Astrofisico di Crimea ha approfondito questa violenta interazione, non guardando attraverso un telescopio, ma costruendo un modello virtuale dettagliato dell'evento. Volevano vedere quale fosse l'aspetto delle conseguenze di tale collisione per un osservatore che guardasse da lontano. Utilizzando potenti supercomputer, hanno simulato una massiccia massa di gas, pesante quanto il pianeta Giove, che cadeva da una distanza di 20 unità astronomiche verso una giovane stella circondata da un disco. Hanno testato due scenari distinti: uno in cui il flusso di gas cade nella stessa direzione in cui ruota il disco, e un altro in cui si abbatte nella direzione opposta. L'obiettivo era generare immagini sintetiche — immagini generate al computer di ciò che queste collisioni apparirebbero se catturate da strumenti reali come il radiotelescopio ALMA o telecamere a infrarossi.

I risultati di queste simulazioni hanno rivelato due esiti molto diversi a seconda della direzione dell'impatto. Quando il flusso di gas cade nella stessa direzione della rotazione del disco, la collisione crea una drammatica struttura a braccio singolo. Il gas in entrata, muovendosi più velocemente del materiale locale nel disco, spazza via la materia del disco e la scaglia verso l'esterno, allungando la perturbazione in un lungo braccio luminoso che può essere visto chiarmente nelle lunghezze d'onda radio. Questa spirale è robusta e persiste per molto tempo, distinguendosi rispetto allo sfondo del disco. I ricercatori hanno scoperto che questa caratteristica è più visibile quando il disco contiene una quantità significativa di minuscole particelle di polvere, che agiscono come i principali riflettori di luce in queste osservazioni.

Nello scenario più caotico, in cui il flusso di gas si abbatte sul disco dalla direzione opposta, il risultato è molto più complesso. Invece di una spirale pulita, la collisione crea un'inclinazione, piegando la parte interna del disco in modo che non sia più allineata con i bordi esterni. Questo disco interno inclinato forma un anello distinto e inclinato attorno alla stella che può persistere per oltre cento anni. Nelle simulazioni, questa struttura appariva come una regione luminosa e inclinata con una linea scura che la attraversa, visibile quando il sistema viene osservato da determinate angolazioni. I ricercatori hanno notato che questo disco inclinato è più facilmente individuabile nella luce infrarossa, dove il contrasto tra le superfici superiore e inferiore del disco diventa evidente. Interessante è che le misurazioni geometriche effettuate da queste immagini sintetiche corrispondevano perfettamente ai dati fisici della simulazione, confermando che le caratteristiche visive sono indicatori affidabili dei cambiamenti fisici sottostanti.

Lo studio ha anche evidenziato come l'angolo del flusso in entrata cambi l'esito. Quando il flusso colpisce con un angolo ripido, l'inclinazione del disco interno diventa più pronunciata, creando una chiara firma visiva che la distingue da un disco piatto e indisturbato. Tuttavia, se la collisione avviene una sola volta, senza che il flusso faccia un giro intorno per colpire il disco una seconda volta, le strutture a spirale risultanti sono molto più deboli e difficili da rilevare con gli attuali radiotelescopi. I ricercatori hanno concluso che, sebbene queste caratteristiche drammatiche siano reali e rilevabili, la loro individuazione nell'universo reale è attualmente limitata a sistemi relativamente vicini al nostro Sole, entro circa 100 parsec. Per ora, queste immagini generate al computer fungono da guida vitale, aiutando gli astronomi a sapere esattamente cosa cercare quando puntano i loro telescopi verso le polverose culle delle nuove stelle, offrendo uno sguardo ai momenti violenti e formativi che modellano l'architettura dei sistemi planetari.