Perché i pianeti orbitano tutti su uno stesso piano?
I pianeti orbitano tutti, o quasi, su uno stesso piano: il piano dell’eclittica. Eppure il Sistema Solare si è formato a partire da una grande nube di forma irregolare. Come è possibile quindi che i pianeti si trovino tutti sul piano dell’eclittica invece che trovarsi ognuno su un piano diverso? Per capire come ciò sia possibile, dobbiamo tornare indietro al tempo della formazione del nostro sistema planetario.
Vista dalla Terra l’Eclittica è la linea tracciata dal Sole nel suo moto sulla sfera celeste. L’eclittica però è anche (e proprio per questo) il piano su cui il nostro pianetino orbita attorno al Sole. E a pensarci bene è anche il piano su cui orbitano, più o meno, la maggior parte dei pianeti. L’orbita di Mercurio è inclinata di appena 7° sull’eclittica ed è quella più inclinata tra le orbite dei pianeti del Sistema Solare. C’è Venere, inclinato di 3,4°, Saturno inclinato di 2.5°. Per tutti gli altri l’inclinazione è minore di 2°. In buona approssimazione possiamo quindi dire che tutti i pianeti del Sistema Solare orbitano su un unico piano. Per capire il significato di questa osservazione, è necessario però fare qualche passo indietro, e tornare all’origine del Sistema Solare.
Prima della nascita del Sole, una stella bruciava gli elementi di cui era composta fino a giungere a fine vita in una fredda nube di gas e polveri, la Nube Solare. Tra 4,5 e 4,6 miliardi di anni fa la nube collassò in almeno una regione, la materia si aggregò fino a formare una stella, una sfera di gas così denso e caldo da innescare energetiche reazioni nucleari: era nato il Sole.
La Nube Solare, così come molte nebulose che osserviamo, ruotava. Una rotazione indotta da una serie di fenomeni generati dall’ambiente interstellare, come il passaggio ravvicinato di altre stelle, le perturbazioni gravitazionali di un’altra nube o i venti stellari che possono agire così come fa una mano su una giostra per farla girare. Con ogni probabilità, questo tipo di perturbazione è anche ciò che innesca il collasso della nube deformandola e portandola ad avere una regione in cui la densità è maggiore. Densità maggiore significa anche che tale regione ha una maggiore forza di gravità e quindi sia in grado di attrarre altra massa, determinando così un’aggregazione di massa in un punto, un collasso gravitazionale appunto.
Non è un caso che il Sole ruoti su se stesso e che tutti i pianeti inizialmente orbitino attorno al Sole nella stessa direzione, perché era proprio la direzione di rotazione della nube. Se non ci fosse stata questa rotazione, la massa che ha formato i pianeti sarebbe caduta sulla stella e non ci sarebbe stato alcun pianeta. Invece attorno alle stelle ci sono dischi di polvere e gas, i cosiddetti dischi protoplanetari. Generalmente questi dischi non vengono trovati attorno a stelle nate da più di 10 milioni di anni, quindi i pianeti si formano quando le stelle sono veramente molto giovani.
Proprio in questa rotazione sta il segreto dell’eclittica e della formazione di dischi protoplanetari. C’è una quantità fisica, il cosiddetto momento angolare, che quantifica quanto un sistema ruoti. Questa quantità coinvolge la velocità delle particelle della nube e la loro distanza dal centro della nube (il punto in cui si forma il Sole). Siccome il momento angolare deve rimanere costante, se la distanza delle particelle diminuisce la loro velocità deve aumentare. In soldoni, più la nube collassa più ruota velocemente. Si tratta proprio della stessa ragione per cui i pianeti che orbitano più vicini al Sole orbitano velocemente e quelli più lontani sono invece molto più lenti (Mercurio orbita in 88 giorni, Nettuno in 165 anni) e della stessa ragione per cui un pattinatore sul ghiaccio gira su se stesso più rapidamente se chiude le braccia rispetto a quando le mantiene aperte.
La forza di gravità tende a spingere la massa della nube verso l’interno. A causa della rotazione c’è invece una forza centrifuga che spinge i corpi ad allontanarsi dal centro. La forza centrifuga è però molto più forte all’equatore del nascente Sole, nella direzione in cui la stella ruota su se stessa, ed è minore più ci si allontana dal piano equatoriale. Succede quindi che la nube si schiaccia verso un disco equatoriale, dove la forza centrifuga riesce a controbilanciare l’attrazione gravitazionale. Se ci pensiamo, è proprio la stessa ragione per cui i pianeti non sono perfettamente sferici ma sono sfere schiacciate ai poli, con un rigonfiamento all’equatore: sul piano equatoriale la materia che compone i pianeti subisce una forza centrifuga maggiore.
Ecco formato un disco protoplanetario, quello in cui si formeranno i pianeti. E siccome i pianeti si formeranno proprio in quel disco, anche una volta formati continueranno a orbitare sul piano in cui si trovava il disco. Possono intervenire alcuni processi minori a modificare l’inclinazione delle orbite, ma questi processi riguardano più facilmente corpi minori come asteroidi e comete rispetto ai pianeti, ben più stabili sulle loro orbite.