L'importanza delle orbite nella determinazione di un modello di formazione planetaria
I primi modelli di formazione del Sistema solare cercarono di rendere conto, in modo qualitativo, dei principali dati osservativi. Le orbite dei pianeti sono prossime al piano orbitale terrestre, il piano dell'eclittica; le orbite non sono fortemente ellittiche (esclusa l'orbita di Plutone, scoperto nel 1929); tutti ruotano nello stesso senso che è pure quello di rotazione del Sole, a eccezione di Urano che ha un moto di rotazione retrogrado; infine, le distanze eliocentriche presentano una certa regolarità espressa da una relazione empirica trovata da Titius e Bode nel XVIII secolo.
Alla fine del XIX secolo, inoltre, i fisici teorici dedicarono particolare attenzione al problema del momento angolare nel Sistema Solare.
Per momento angolare in fisica si intende una quantità che misura l'intensità della rotazione di un corpo attorno al proprio asse. Supponiamo di avere un corpo rigido di massa M che ruota su se stesso, ad una velocità angolare w, nel campo gravitazionale determinato dalla sua stessa massa. Ebbene, senza entrare nel dettaglio fisico matematico, se il nostro corpo solido è "isolato", vale la legge di conservazione del momento angolare:
dove
è il momento angolare del corpo, R il raggio del corpo solido e k un opportuno fattore numerico.
Supponiamo che il corpo rigido rappresenti la nube protoplanetaria. Nel caso che esista solo la forza di gravitazione e non esistano forze esterne, cioè che la nube protoplanetaria sia "isolata", vale la precedente legge di conservazione del momento angolare che, risolta, dà :
Il momento angolare originario deve mantenersi costante anche se si può ripartire nei momenti di rotazione dei pianeti attorno al proprio asse, di rivoluzione dei pianeti attorno al Sole ed infine nel momento di rotazione del Sole attorno al proprio asse.
Quello che si osserva "ora" nel Sistema Solare è che:
Il Sole contiene il 99% della massa del Sistema Solare ma possiede solo il 2% del momento angolare posseduto dagli altri pianeti !
Questo dato osservativo non è di poco conto. Il dilemma nasce dal fatto che è alquanto singolare come "ora", pur essendo la grandissima parte della massa confinata nel Sole, l'intensità della rotazione e della rivoluzione (in questo modo possiamo tradurre il concetto fisico di momento angolare) sia invece distribuita prevalentemente nei corpi a più piccola massa, quali i pianeti. In altri termini, questo vuol dire che il Sole, adesso, dovrebbe avere, per mantenere la conservazione del momento angolare originario, una rotazione su se stesso, di 0,5 giorni, invece di quella osservata di 26 giorni! Si aprono due possibilità:
- se il Sole ed i pianeti si sono formati contemporaneamente bisogna individuare un meccanismo che sottragga momento angolare al Sole;
- oppure bisogna supporre che sin dall'inizio la nascita e l'evoluzione dei pianeti siano state separate da quella del Sole.