Sono perplesso sul perché i pianeti, le stelle e le lune sono tutti rotondi (quando) altri oggetti grandi e piccoli come asteroidi e meteoriti hanno forme irregolari?
– Lionel Young, 74 anni, Launceston, Tasmania
Questa è una domanda fantastica Lionel, e un’osservazione davvero buona!
Quando guardiamo il sistema solare, vediamo oggetti di tutte le dimensioni – da minuscoli granelli di polvere a pianeti giganti e il Sole. Un tema comune tra questi oggetti è che quelli grandi sono (più o meno) rotondi, mentre quelli piccoli sono irregolari. Ma perché?
Una varietà di piccoli corpi del sistema solare, in scala. Gli oggetti più grandi sono rotondi, ma quelli piccoli sono tutt’altro! Wikipedia/Antonio Ciccolella
La gravità: la chiave per rendere rotonde le cose grandi…
La risposta al perché gli oggetti più grandi sono rotondi si riduce all’influenza della gravità. L’attrazione gravitazionale di un oggetto punterà sempre verso il centro della sua massa. Più una cosa è grande, più è massiccia e più è grande la sua attrazione gravitazionale.
Per gli oggetti solidi, questa forza si oppone alla forza dell’oggetto stesso. Per esempio, la forza verso il basso che sperimentate a causa della gravità terrestre non vi tira verso il centro della Terra. Questo perché la terra ti spinge indietro verso l’alto; ha troppa forza per lasciarti affondare attraverso di essa.
Tuttavia, la forza della Terra ha dei limiti. Pensate a una grande montagna, come il monte Everest, che diventa sempre più grande man mano che le placche del pianeta spingono insieme. Man mano che l’Everest diventa più alto, il suo peso aumenta fino al punto in cui comincia ad affondare. Il peso extra spingerà la montagna verso il basso nel mantello terrestre, limitando la sua altezza.
Quanto può diventare alta una montagna sulla Terra?
Se la Terra fosse fatta interamente di oceano, il monte Everest sprofonderebbe fino al centro della Terra (spostando tutta l’acqua che attraversa). Qualsiasi area in cui l’acqua fosse insolitamente alta affonderebbe, tirata giù dalla gravità della Terra. Le aree dove l’acqua era insolitamente bassa verrebbero riempite dall’acqua spostata da altre parti, con il risultato che questa Terra oceanica immaginaria diventerebbe perfettamente sferica.
Ma il fatto è che la gravità è in realtà sorprendentemente debole. Un oggetto deve essere molto grande prima di poter esercitare un’attrazione gravitazionale abbastanza forte da superare la forza del materiale di cui è fatto. Gli oggetti solidi più piccoli (metri o chilometri di diametro) hanno quindi un’attrazione gravitazionale troppo debole per tirarli in una forma sferica.
Questo, per inciso, è il motivo per cui non dovete preoccuparvi di collassare in una forma sferica sotto la vostra stessa attrazione gravitazionale – il vostro corpo è troppo forte per la piccola attrazione gravitazionale che esercita per farlo.
Raggiungere l’equilibrio idrostatico
Quando un oggetto è abbastanza grande che la gravità vince – superando la forza del materiale di cui l’oggetto è fatto – tenderà a tirare tutto il materiale dell’oggetto in una forma sferica. Le parti dell’oggetto che sono troppo alte saranno tirate verso il basso, spostando il materiale sotto di loro, il che farà sì che le aree che sono troppo basse spingano verso l’esterno.
Quando si raggiunge la forma sferica, diciamo che l’oggetto è in equilibrio idrostatico. Ma quanto deve essere massiccio un oggetto per raggiungere l’equilibrio idrostatico? Dipende da cosa è fatto. Un oggetto fatto solo di acqua liquida ci riuscirebbe molto facilmente, in quanto non avrebbe essenzialmente alcuna forza – dato che le molecole dell’acqua si muovono abbastanza facilmente.
Nel frattempo, un oggetto fatto di ferro puro dovrebbe essere molto più massiccio perché la sua gravità superi la forza intrinseca del ferro. Nel Sistema Solare, la soglia di diametro necessaria perché un oggetto ghiacciato diventi sferico è di almeno 400 chilometri – e per gli oggetti fatti principalmente di materiale più resistente, la soglia è ancora più grande.
La luna di Saturno Mimas, che assomiglia alla Morte Nera, è sferica e ha un diametro di 396 chilometri. Attualmente è l’oggetto più piccolo che conosciamo e che potrebbe soddisfare il criterio.
La luna di Saturno Mimas, così come è stata fotografata dalla sonda Cassini, è a malapena abbastanza grande perché la gravità le dia una forma sferica. Il vasto cratere Herschel, che fa sembrare Mimas la Morte Nera, è la cicatrice di un impatto così grande che ha quasi distrutto Mimas! NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute
Costantemente in movimento
Ma le cose diventano più complicate quando si pensa al fatto che tutti gli oggetti tendono a girare o a rotolare nello spazio. Se un oggetto sta ruotando, le posizioni all’equatore (il punto a metà strada tra i due poli) sentono effettivamente un’attrazione gravitazionale leggermente ridotta rispetto alle posizioni vicino al polo.
Il risultato è che la forma perfettamente sferica che ci si aspetterebbe in equilibrio idrostatico è spostata verso quello che chiamiamo uno sferoide oblato – dove l’oggetto è più largo all’equatore che ai poli. Questo è vero per la nostra Terra che gira, che ha un diametro equatoriale di 12.756 km e un diametro da polo a polo di 12.712 km.
Più velocemente un oggetto nello spazio gira, più questo effetto è drammatico. Saturno, che è meno denso dell’acqua, gira sul suo asse ogni dieci ore e mezza (rispetto al più lento ciclo di 24 ore della Terra). Di conseguenza, è molto meno sferico della Terra.
Il diametro equatoriale di Saturno è poco più di 120.500 km, mentre il suo diametro polare è poco più di 108.600 km. È una differenza di quasi 12.000 km!
Il mosaico finale ad ampio campo della sonda Cassini di Saturno e delle sue lune, scattato nel settembre 2017, dà davvero un’idea di quanto sia oblato il pianeta gigante! NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
Alcune stelle sono ancora più estreme. La luminosa stella Altair, visibile nel cielo settentrionale dall’Australia nei mesi invernali, è una di queste stranezze. Gira una volta ogni nove ore circa. È così veloce che il suo diametro equatoriale è il 25% più grande della distanza tra i suoi poli!
La risposta breve
Più si approfondisce una domanda come questa, più si impara. Ma per rispondere semplicemente, la ragione per cui i grandi oggetti astronomici sono sferici (o quasi) è che sono abbastanza massicci che la loro attrazione gravitazionale può superare la forza del materiale di cui sono fatti.
Questo è un articolo di I’ve Always Wondered, una serie in cui i lettori inviano domande a cui vorrebbero che un esperto rispondesse. Invia la tua domanda a [email protected]
Immagini utilizzate per gentile concessione di Pexels/Janik Butz
Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale.