Costruire un pianeta

(articolo originale di Juhani Taylor pubblicato su Worldbuilding Magazine – Traduzione mia)

La geografia fisica dei nostri mondi è oggetto di un’incredibile quantità di riflessioni: come la tettonica a placche crea le montagne, come il clima e le dinamiche climatiche e meteorologiche creano le foreste pluviali o i deserti e come gli insediamenti sono situati su fiumi o baie costiere. Ci sono stati interi numeri di Worldbuilding Magazine dedicati a questi argomenti.

Questo articolo fa un passo indietro rispetto a questi processi e guarda al worldbuilding su una scala più letterale: come si costruisce un mondo da zero? Quali mondi strani e stravaganti, ma plausibili, possono esistere nell’universo? Andiamo a costruire pianeti.

Un piccolo avvertimento prima di fare un giro sulla Nave dell’Immaginazione di Sagan: guarderemo solo pianeti simili alla Terra – cioè quelli su cui la vita terrestre potrebbe sorgere o quelli su cui esploratori umani potrebbero sopravvivere con un minimo supporto vitale. Ciò significa che non prenderemo in considerazione “Giove caldo” come HD 189733b, dove il vetro fuso piove lateralmente in venti ipersonici e riscaldato a 2.000°F (1.100°C) dalla vicinanza alla sua stella. Né guarderemo i pianeti dove solo batteri estremofili potrebbero sopravvivere. Questi sono tutti argomenti fantastici per la storia giusta, ma per mantenere questo articolo più breve di un libro, sono esclusi per ora.

Occhio al cielo

C’è un concetto in fisica conosciuto come il principio antropico. A volte è usato come guida dagli scienziati e, altre volte, come un rimprovero sardonico contro i loro pregiudizi. Il principio antropico ci ricorda che dobbiamo essere consapevoli dei nostri limiti quando cerchiamo di comprendere l’universo. Un’analogia appropriata usata dal fisico Brian Greene è quella di considerare una rete da pesca con spazi vuoti di un piede tra le maglie: quando il pescatore esamina il suo bottino potrebbe concludere che tutti i pesci nel mare sono sono larghi almeno un piede, perché è tutto quello che è stato catturato. Naturalmente, l’ipotetico pescatore non considera i pesci più piccoli che sono riusciti a scivolare attraverso la rete.

Lo stesso principio si applica all’astronomia: solo perché il nostro sistema solare ha una stella non la rende la norma. Gli scienziati ora credono che la maggior parte delle stelle nell’universo si forma come parte di un sistema stellare binario, e si pensa addirittura che il nostro sole avesse un fratello che è stato poi espulso dalle interazioni con altre stelle vicine.

La vita in un sistema stellare binario può essere strana. I pianeti in un tale sistema rientrano in due categorie: circumstellari (intorno a una stella) e circumbinari (intorno a entrambe le stelle). I pianeti circumbinari raramente si formano in binarie vicine, poiché un’altra stella entro 5 AU interromperebbe la loro orbita (AU = Unità Astronomica; 1 AU = la distanza tra la Terra e il Sole; 5 AU è ancora vicino in termini stellari). In una binaria più ampia in cui è possibile che un pianeta orbiti stabilmente solo intorno a uno dei due, i residenti sperimenterebbero un ciclo giorno-notte fluttuante. Per circa la metà dell’anno, entrambe le stelle sarebbero sullo stesso lato del cielo, producendo un giorno più luminoso, più caldo. Durante l’altra metà dell’anno, il pianeta si trova tra le stelle; il cielo notturno è illuminato dalla sua lontana stella zio, molto più debole della sua stella madre. Per un confronto terrestre, immaginate se Plutone fosse sostituito da una copia del del Sole. Per sei mesi all’anno, il cielo notturno sarebbe illuminato dall’equivalente di una luna piena permanente.

I pianeti circumbinari sono forse più facili da visualizzare e hanno un fermo ancoraggio nella cultura popolare grazie alla famosa scena del tramonto binario in Guerre stellari (1977). Qui, l’orbita del pianeta è così ampia da circondare entrambe le stelle come se fossero una sola.
Il ciclo giorno-notte assomiglia molto a quello di un sistema a stella singola, tranne che per i due soli nel cielo orbitano anche tra loro. Un osservatore su questo pianeta potrebbe vedere i soli allontanarsi sempre di più, poi di nuovo più vicini prima che uno eclissi l’altro. Per questa breve occlusione, il pianeta potrebbe effettivamente raffreddarsi un po’, poiché la stella più vicina blocca la luce e il calore di quella più lontana.

Osservazioni e simulazioni di sistemi circumbinari suggeriscono che la distanza del pianeta dal centro gravitazionale del sistema, il baricentro (di cui parleremo più avanti), deve essere almeno quattro volte la separazione delle due stelle.

Quindi, come potrebbe apparire un sistema circumbinario ai suoi abitanti? Possiamo immaginare un sistema binario vicino dove la Terra è sostituita da un secondo sole, e Giove è sostituito da una Terra (con un giorno di 24 ore). I due soli impiegano un anno per completare un’orbita completa, mentre Giove-Terra impiega 12 anni.
Ogni 182 giorni, i soli si eclissano a vicenda. Per due ore, il cielo diurno si oscura fino a quando l’altro sole emerge di nuovo. Tra queste eclissi i si allontanano, fino a 11 gradi di distanza nel cielo – circa 20 volte la larghezza della luna piena. Per coloro che conoscono le costellazioni, questa è circa la distanza tra la cintura di Orione e la sua spalla sinistra (Betelgeuse).

Il vuoto che inganna

Un altro importante fenomeno che viene spesso trascurato è l’effetto delle forze di marea. L’alta fisica delle scuole superiori tratta ogni oggetto come un singolo punto, con poca preoccupazione per i loro volumi o forme nelle equazioni. Le forze di marea si verificano quando si considera un pianeta o una luna non come un singolo punto, ma una grande sfera. L’attrazione della gravità si indebolisce con la distanza, quindi la parte di un corpo più vicino ad un altro corpo sente una attrazione più forte della parte più lontana. Questo processo deforma il pianeta o la luna molto leggermente in una forma ovoidale. Ma il pianeta ruota ancora, quindi questo rigonfiamento non è del tutto allineato con l’altro corpo.

Immaginate un pallone da rugby o da football americano (a seconda delle vostre preferenze sportive) con un peso appeso a una delle punte. Se voi girate la palla, il peso cercherà di girarla indietro in modo che penda nel punto più basso della palla. Questa coppia è esattamente ciò che accade tra la Terra e la Luna. Quando la Luna si è formata, la Terra e la Luna ruotavano entrambe molto più velocemente di adesso.
Un giorno terrestre era solo di circa 2,5 ore! Ma nel corso di miliardi di anni, la flessione e la deformazione di entrambi i corpi hanno assorbito parte del loro momento, così come l’attrito del rigonfiamento di marea dell’acqua sulla Terra contro la crosta sottostante. Questo effetto ha rallentato la rotazione sia della Terra e della Luna in proporzione, ma poiché la Luna è molto più piccola, rallentò più velocemente. Alla fine divenne bloccata tidalmente: solo un lato della Luna è sempre rivolto verso la Terra. Questo effetto continua oggi, e dato abbastanza tempo, anche la Terra diventerebbe bloccata tidalmente alla Luna.

Le forze di marea sono presenti in ogni oggetto che interagisce gravitazionalmente con un altro, inclusi i pianeti e le stelle. Il Sole tira sugli oceani con poco meno della metà della forza che esercita la Luna. Vediamo questo effetto manifestarsi in maree primaverili e di quadratura, dove l’allineamento Terra-Luna-Sole fa sì che le maree oceaniche si amplifichino o si annullano parzialmente.

In un pianeta che orbita vicino alla sua stella, potrebbe facilmente diventare bloccato tidalmente alla sua stella più o meno nello stesso modo in cui la Luna lo è alla Terra, il cui risultato è uno strano mondo: un pianeta bulbo oculare.

L’emisfero rivolto al sole arrostisce sotto la luce del giorno senza fine, bruciato in un arido deserto. L’altro lato si è congelato in un’oscura notte senza fine. Tra i due si trova una sottile fascia di terra abitabile, dove c’è la temperatura giusta perché l’acqua liquida esista in superficie.

Tuttavia, questa striscia non è una casa tranquilla per i suoi abitanti. Nel deserto, nella posizione direttamente sotto il sole (il punto subsolare), l’aria sale mentre viene riscaldata. L’aria più fredda entra da tutte le direzioni a livello del suolo per sostituirla, e l’aria calda, ora ad alta quota, fluisce intorno al pianeta verso il lato freddo e buio. Qui, sprofonda mentre perde il suo calore e inizia il suo viaggio di ritorno verso il lato del giorno. Il risultato è un incessante vento freddo che ulula sulla fascia abitabile dal lato notturno. Questo fenomeno sfalserebbe le zone del pianeta, il che significa che poco più della metà del pianeta sarebbe congelato, e la fascia abitabile sarebbe un’iride intorno al bordo del lato giorno.

I residenti qui avrebbero adattato la loro architettura a un costante, unidirezionale, vento freddo, forse favorendo grandi finestre rivolte al sole immobile che pende basso nel cielo. Invece di nord e sud, potrebbero definire direzioni cardinali alternative come “verso il giorno” e “verso la notte”, e la navigazione dipenderebbe fortemente dall’angolo verticale del sole.

Senza una luna

La cosa bella di tante scoperte scientifiche è che iniziano con una domanda: “e se?”. Abbiamo già visto due esempi: cosa succederebbe se un sistema stellare contenesse più di una stella o se un pianeta fosse agganciato tidalmente alla alla sua stella? Qui possiamo considerare un semplice esperimento mentale: cosa succederebbe se la Luna fosse più grande?

La nostra Luna è già abbastanza grande per quanto siano le lune. Con poco più di un quarto del diametro della Terra, è la luna più grande rispetto al suo pianeta nel nostro sistema solare. La massa è proporzionale al cubo del diametro, e la Luna e’ anche, in media, leggermente meno densa della Terra. Di conseguenza, essa pesa circa 1/81 della massa della Terra. E se fosse più massiccia? Un decimo della massa della Terra? Un quarto? La metà?

In ogni sistema multi-corpo, c’è una posizione nota come baricentro (letteralmente “centro pesante” in greco), che può essere pensato come il centro di gravità di quel sistema. Come esempio della terza legge di Newton, la Luna tira sulla la Terra tanto quanto la Terra tira sulla la Luna. Il risultato è che il baricentro non è proprio al centro della Terra. Per analogia, possiamo pensare a un lanciatore di martello olimpico.
Quando ruotano per accumulare slancio, notiamo che l’atleta “traballa” mentre gira. Questo perché la massa del martello sta tirando sul lanciatore, quindi il centro di rotazione è da qualche parte vicino alla sua mano tesa. In modo simile, la Terra “oscilla” intorno al suo baricentro in risposta all’orbita della Luna.

Se la Luna fosse molto più grande, il baricentro Terra-Luna sarebbe da qualche parte tra i due corpi, invece che all’interno della Terra. La Terra non oscillerebbe più, ma percorrerebbe invece un’orbita circolare intorno al baricentro. Plutone fa questo movimento con la sua luna Caronte, che è circa il 12% della massa di Plutone. All’estremo della scala di questa scala, un pianeta e una luna con masse uguali orbiterebbero sullo stesso percorso, a 180° l’uno dall’altro, intorno a un baricentro esattamente a metà strada tra loro. Un sistema pianeta-luna come questo può essere definito come “pianeta doppio” o “pianeta binario”. C’è dibattito tra gli scienziati su cosa costituisca un pianeta doppio rispetto a un sistema pianeta-luna, ma la definizione più comunemente accettata è un sistema in cui il baricentro si trova tra i due corpi, invece che all’interno di quello più grande. Quindi il sistema Terra-Luna non si qualifica sotto questa definizione, ma Plutone-Caronte potrebbe. In effetti, gli astronomi hanno discusso la riclassificazione di Plutone come pianeta doppio prima di declassarlo allo status di pianeta nano nel 2006.

Consideriamo un sistema di doppio pianeta simile alla Terra in cui la Luna è sostituita da un pianeta della stessa massa della Terra. Chiamiamo questo pianeta Nyx. Questi due pianeti sarebbero quasi certamente bloccati tidalmente l’uno all’altro. Sulla superficie della Terra, Nyx si profilerebbe grande nel cielo, 4 volte
più largo della luna piena e 4,6 volte più luminoso. Nyx non si muoverebbe mai, rimanendo sempre sospeso nello stesso posto rispetto alla terra, mentre le stelle si muovono dietro di essa. Un giorno sulla Terra ora durerebbe 29,5 giorni vecchi; 354 ore di luce diurna continua sarebbero seguite da 354 ore di oscurità. Nyx passerebbe attraverso le fasi nello stesso modo in cui lo fa la Luna. Tutto questo sarebbe vero anche al contrario per gli abitanti di Nyx che guardano la Terra nel loro cielo.

Mettici un anello

Possiamo continuare a giocare con la Luna nel nostro esperimento di pensiero. Finora abbiamo cambiato la sua dimensione, ma cosa succederebbe se cambiassimo la sua distanza da noi? La risposta è che per la maggior parte delle differenze non cambierebbe molto sulla Terra. Le maree sarebbero più forti se fosse più vicina, e più deboli se fosse più lontana. Se la Luna fosse più lontana di 914.000 miglia (1,47 milioni di km) dalla Terra, o circa 4 volte la sua distanza attuale sfuggirebbe del tutto all’orbita terrestre. A quella distanza l’attrazione del Sole diventa più forte della Terra e la Luna diventa un pianeta libero, un pianeta a sé stante.

Ma se la Luna fosse molto, molto più vicina accadrebbero cose strane. Supponiamo di portare magicamente la Luna a sole 5.900 miglia (9.500 km) (misurato tra i centri di ciascun corpo – superficie a superficie sarebbe solo 870 miglia (1.400 km)). A questa distanza occupa 51 gradi del cielo, più di un quarto della distanza da orizzonte a orizzonte. Ma a questa distanza supera il limite di Roche. Scientificamente, a questa distanza, le forze di marea del sistema a due corpi superano l’autoattrazione gravitazionale della Luna. In altre parole, l’attrazione della Terra sulla parte più vicina della Luna è più forte della gravità che tiene la Luna insieme in un unico pezzo. Così la Luna inizia a rompersi. Chiunque si trovi sulla Luna vedrebbe montagne di roccia letteralmente staccarsi dalla superficie e fluttuare via nello spazio. Nel giro di pochi mesi, la Luna è stata completamente disintegrata e al suo posto c’è una serie di anelli scintillanti che circondano la Terra.

A differenza degli anelli di Saturno, i resti della Luna sarebbero quasi interamente composti da rocce. Qualsiasi ghiaccio rinchiuso all’interno della Luna in disintegrazione evaporerebbe rapidamente a causa del calore del Sole. Saturno può mantenere i suoi anelli ghiacciati grazie alla sua maggiore distanza dal Sole.

Le persone sulla Terra si sveglierebbero con una visione molto diversa del cielo. Esattamente ciò che si vede dipende dalla latitudine: all’equatore si vede una sottile linea bianca che taglia il cielo perfettamente a metà da est a ovest. Agli altri estremi, vicino ai poli, è probabile che non si vedano affatto gli anelli, perché sarebbero sotto l’orizzonte. Tra i cerchi polari, tuttavia, il cielo è spettacolare. La luce del sole riflessa dagli anelli illumina il cielo notturno, come se ci si trovasse in una stanza molto illuminata. Gli anelli proiettano ombre sulla Terra durante il giorno, e la loro presenza costante e immobile quasi certamente diventa un punto fermo nelle mitologie terrestri. L’esplorazione dello spazio diventa molto più difficile, dato che ogni orbita tra le 620 miglia e le 7.500 miglia (da 1.000 a 12.070 km) passa attraverso gli anelli
due volte in ogni orbita a velocità relative misurate in chilometri al secondo. Charles Q. Choi ha un eccellente scritto sugli effetti di vasta portata di tali anelli nel suo articolo dedicato a Live Science, che è accuratamente raccomandato per uno uno sguardo più approfondito.

Vale anche la pena ricordare che quasi nulla nella cosmologia è fisso – tutto è in evoluzione e cambia, solo su scale temporali astronomiche al di là della comprensione umana. Così va con questi anelli. Nel corso di 100 milioni di anni, questi anelli scomparirebbero probabilmente attraverso due meccanismi. Alcuni detriti lunari potrebbero alla fine fondersi in nuove lune molto più piccole. Questo fenomeno è già accaduto con Saturno, che ha cinque piccole lune “pastore” all’interno dei suoi anelli. Il resto degli anelli della Terra, troppo vicini al pianeta per interagire tra loro, finiranno per scendere a spirale a causa degli effetti di marea e il trascinamento da parte dell’atmosfera estremamente tenue in un processo noto come “pioggia di anelli”. Gli abitanti della Terra per tutto questo periodo saranno abituati a innumerevoli e regolari stelle cadenti che appariranno parallelamente agli anelli nel cielo.

Infinita improbabilità

Questo articolo ha fornito un semplice assaggio della sconcertante varietà di pianeti che possono esistere in tutto l’universo. Ce ne sono molti, molti altri oltre a quelli descritti sopra, tutti hanno il potenziale per fornire ambientazioni epiche per le nostre storie.

Un ultimo consiglio per chiunque sia ispirato da queste possibilità: considerate come una civiltà tecnologicamente avanzata potrebbe superare le sfide di un pianeta altrimenti ostile. Per esempio, la superficie di Venere è un caldo, acido, e schiacciante paesaggio infernale ma gli scienziati ritengono che
dirigibili che fluttuano in alto nel suo cielo potrebbero essere in grado di ospitare residenti umani con poco più di maschere antigas come protezione. Ancora una volta, la fantascienza ci ha battuto su questo concetto con la Cloud City su Bespin di Star Wars. Come sempre, dobbiamo ricordare quanto sia importante il ruolo che la fantascienza gioca nella scienza stessa. Se si può progettare un work-around o una soluzione per un problema
usando la logica di una storia verosimile, potresti ispirare la prossima generazione di scienziati a rendere le tue idee una realtà.

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