Nell'astronomia planetaria, l'ipotesi della grande virata suggerisce che dopo la sua formazione a di distanza dal Sole, Giove sarebbe migrato verso l'interno del sistema solare fino a raggiungere una distanza di dal Sole prima di invertire la rotta. L'inversione sarebbe avvenuta grazie alla cattura di Saturno in una risonanza orbitale; il processo migratorio verso l'esterno si sarebbe arrestato quando Giove fosse giunto in prossimità della sua attuale orbita, a dal Sole. L'inversione della migrazione di Giove è paragonata al percorso di una barca a vela che cambia direzione (virata) mentre viaggia controvento.

Il disco planetesimale sarebbe stato troncato a dal Sole dalla migrazione di Giove, limitando il materiale disponibile per la formazione di Marte. Giove avrebbe attraversato due volte la cintura degli asteroidi, disperdendo gli asteroidi prima verso l'esterno e poi verso l'interno. La fascia che ne sarebbe risultata ha una massa relativamente piccola, si compone di corpi le cui inclinazioni ed eccentricità sono piuttosto varie e sarebbero provenienti sia dalla porzione interna del sistema, sia dalla esterna rispetto alla posizione originaria di formazione di Giove. I detriti prodotti dalle collisioni tra i planetesimi spazzati via da Giove potrebbero aver spinto una prima generazione di pianeti verso il Sole.

Descrizione Nell'ipotesi della grande virata, Giove avrebbe subito una migrazione in due fasi dopo la sua formazione, spostandosi verso l'interno del sistema solare fino a raggiungere una distanza di dal Sole prima di invertire la rotta e migrare verso l'esterno. La formazione di Giove avrebbe avuto luogo vicino al limite della neve, a circa dal Sole. Dopo aver eliminato una lacuna nel disco di gas, Giove sarebbe stato sottoposto a migrazione di tipo II, spostandosi lentamente verso il Sole con il disco di gas. Se ininterrotta, questa migrazione avrebbe lasciato Giove in un'orbita stretta attorno al Sole come i Gioviani caldi recentemente scoperti in altri sistemi planetari. Anche Saturno sarebbe migrato verso il Sole, ma essendo più piccolo lo avrebbe fatto più velocemente. Avrebbe cioè subito una migrazione di tipo I o migrazione fuggitiva. Saturno sarebbe converso su Giove fino ad essere catturato da questi in una risonanza di moto medio 2:3. Una lacuna sovrapposta nel disco di gas si sarebbe formata quindi attorno ai due pianeti, alterando l'equilibrio delle forze su di loro inducendoli a migrare insieme.

Saturno avrebbe parzialmente cancellato la sua parte del divario riducendo la coppia esercitata su Giove dal disco esterno. La coppia netta sui pianeti sarebbe divenuta quindi positiva, con le coppie generate dalle risonanze interne di Lindblad superiori a quelle del disco esterno. Quando ciò si fosse verificato, i pianeti avrebbero iniziato a migrare verso l'esterno. La migrazione verso l'esterno sarebbe potuta proseguire perché le interazioni tra Giove e Saturno avrebbe permesso al gas di fluire attraverso la lacuna. Scambiando momento angolare con i pianeti durante il suo passaggio, il gas avrebbe aumentato l'equilibrio positivo delle coppie; in tal modo la massa si sarebbe trasferita dal disco esterno al disco interno, permettendo ai pianeti di migrare verso l'esterno. Il trasferimento di gas nel disco interno avrebbe anche rallentato la riduzione della massa del disco interno stesso rispetto al disco esterno mentre si accumulava sul Sole, che altrimenti avrebbe indebolito la coppia interna, ponendo fine alla migrazione verso l'esterno dei pianeti. Nell'ipotesi della grande virata si presume che questo processo abbia invertito la migrazione verso l'interno dei pianeti quando Giove era a dal Sole. La migrazione verso l'esterno di Giove e Saturno sarebbe continuata fino a quando non avessero raggiunto una configurazione a coppia zero all'interno di un disco svasato, o quando il disco di gas si fosse dissipato. Si suppone che una di queste due condizioni sia stata raggiunta quando Giove si è trovato in prossimità della sua orbita attuale.

Portata dell'ipotesi della grande virata L'ipotesi può essere applicata per spiegare molteplici fenomeni nel sistema solare.

Problema di Marte

L'ipotesi della grande virata di Giove risolverebbe il problema della piccola massa di Marte, fornendo una spiegazione plausibile per la limitazione del materiale disponibile per la formazione del pianeta rosso. Il problema di Marte consiste infatti nell'incongruenza tra le effettive caratteristiche del pianeta rosso e i risultati di alcune simulazioni della formazione dei pianeti terrestri, che si concludono con un pianeta di nella regione attualmente occupata da Marte quando iniziate con planetesimi distribuiti in modo uniforme in tutto il sistema solare interno. La massa di Marte invece è pari a solo .

La migrazione verso l'interno di Giove avrebbe alterato la distribuzione del materiale nel sistema solare interno, spingendo i planetesimi verso il Sole, fino a formare una banda densa e stretta con un mix di materiali entro , e lasciando la regione di Marte in gran parte vuota. Embrioni planetari si sarebbero formati rapidamente nella porzione più densa. La maggior parte di questi, scontrandosi e fondendosi, avrebbero formato i più grandi pianeti terrestri (Venere e la Terra) in un periodo compreso tra 60 e 130 milioni di anni. Altri sarebbero stati espulsi all'esterno dalla porzione densa del disco, dove, privati di materiale aggiuntivo, avrebbero rallentato la loro crescita e formato infine i pianeti terrestri di massa inferiore (Marte e Mercurio).

Fascia degli asteroidi

Giove e Saturno avrebbero scacciato la maggior parte degli asteroidi dalle loro orbite originarie durante le loro migrazioni, lasciando dietro di sé un residuo eccitato proveniente sia dall'esterno che dall'interno della posizione in cui Giove si sarebbe originariamente formato. Prima che iniziasse la migrazione del gigante gassoso, gli asteroidi occupavano le stesse regioni in cui si erano formati; la loro composizione, dunque, variava in funzione della distanza dal Sole. Gli asteroidi rocciosi dominavano la regione interna, mentre gli asteroidi più primitivi e ghiacciati quella oltre il limite della neve. Durante la migrazione verso l'interno di Giove e Saturno, circa il 15% degli asteroidi rocciosi sarebbe stato spostato verso l'esterno, su orbite al di là di quella allora occupata da Saturno. Quando il processo migratorio si sarebbe invertito, Giove e Saturno avrebbero nuovamente incontrato questi oggetti, spingendo circa lo 0,5% della popolazione originale di asteroidi rocciosi di nuovo verso l'interno su orbite stabili.

Quando infine i due giganti gassosi avrebbero nuovamente oltrepassato il limite della neve, circa lo 0,5% degli asteroidi primitivi sarebbe stato spostato sulle orbite che oggi corrispondono alla porzione esterna della fascia principale. In conseguenza degli incontri con Giove e Saturno, molti asteroidi sarebbero stati spostati su orbite con grandi valori di eccentricità e inclinazioni. Questi possono essere stati successivamente ridotti dall'instabilità del pianeta gigante descritta nel modello di Nizza, in modo da raggiungere la distribuzione dell'eccentricità corrispondente a quella dell'attuale fascia principale. Alcuni degli asteroidi ghiacciati sarebbero stati spostati su orbite che li avrebbero portati a collidere con i pianeti terrestri, apportandovi l'acqua.

Assenza di Super Terre L'ipotesi della grande virata potrebbe spiegare anche l'assenza di Super Terre in orbita stretta nel sistema solare interno. Durante la migrazione verso il Sole, i planetesimi sarebbero stati catturati da risonanze di moto medio col pianeta gigante. Le loro orbite conseguentemente ne sarebbero state contratte, mentre i valori dell'eccentricità orbitale sarebbero progressivamente aumentati. Quando le velocità relative avessero raggiunto valori da causare impatti catastrofici tra i planetesimi, si sarebbe potuta originare una cascata collisionale. I detriti che ne fossero risultati, avrebbero iniziato a spiraleggiare verso il Sole, trascinati dal disco di gas. Se si erano già formate delle Super Terre prima di questo stadio, avrebbero a loro volta stabilito delle risonanze con i detriti, venendo infine anch'esse trascinate verso il Sole. Gli attuali pianeti terrestri si sarebbero formati quindi dai planetesimi rimasti quando Giove invertì il percorso.

La migrazione delle Super Terre non avrebbe dovuto, tuttavia, necessariamente concludersi con la loro collisione con la stella centrale. Questa sarebbe evitata se i detriti si riunissero a formare oggetti più grandi, riducendo la resistenza del gas, o se nel disco protoplanetario fossero presenti delle cavità nelle regioni più interne. D'altra parte, se non si erano affatto formati pianeti rocciosi prima della migrazione di Giove, l'instaurarsi della cascata collisionale avrebbe comunque condotto alla frammentazione dei planetesimi. I detriti che ne sarebbero derivati sarebbero stati abbastanza piccoli che avrebbero potuto essere sospinti verso l'esterno dal vento solare, più intenso nelle prime fasi di formazione della stella centrale, e svuotare la regione interna rispetto all'orbita di Mercurio.

Sviluppi successivi Le simulazioni della formazione dei pianeti terrestri utilizzando modelli del disco protoplanetario che includono il riscaldamento viscoso e la migrazione degli embrioni planetari, indicano che la migrazione di Giove potrebbe essersi invertita a dal Sole. Nelle simulazioni le eccentricità degli embrioni sono eccitate dalle perturbazioni di Giove. Man mano che queste eccentricità sono smorzate dal disco di gas più denso previsto dai modelli più recenti, i semiassi maggiori degli embrioni si restringono, spostando la densità di picco dei solidi verso l'interno. Nelle simulazioni nelle quali l'inversione della migrazione di Giove avviene a dal Sole, la formazione del pianeta terrestre più massiccio avviene più vicino all'attuale orbita di Venere che a quella della Terra. Le simulazioni nelle quali l'inversione avviene a dal Sole producono una corrispondenza più aderente con l'attuale configurazione del sistema solare.

Quando la frammentazione dovuta alle collisioni di tipo "hit and run" (nelle quali il corpo minore riesce parzialmente ad allontanarsi dal corpo maggiore, per quanto altamente modificato dall'urto) viene inclusa nelle simulazioni con una precoce instabilità, le orbite dei pianeti terrestri vengono riprodotte meglio. Il maggior numero di piccoli corpi risultanti da queste collisioni riduce le eccentricità e le inclinazioni delle orbite dei pianeti in crescita attraverso ulteriori collisioni e attriti dinamici. Ciò si traduce anche in una frazione maggiore della massa dei pianeti terrestri concentrata in Venere e nella Terra ed estende i loro tempi di formazione rispetto a quello di Marte.

La migrazione dei pianeti giganti attraverso la cintura degli asteroidi crea un picco nelle velocità di impatto che potrebbe provocare la formazione di condriti CB. Le condriti CB sono condriti carboniose ricche di metalli contenenti noduli di ferro/nichel che si sono formati dalla cristallizzazione dell'impatto fondendo dopo i primi solidi. La vaporizzazione di questi metalli richiede impatti superiori a , ben oltre il massimo di previsto nei modelli di accrescimento standard. La migrazione di Giove attraverso la fascia degli asteroidi aumenta le eccentricità e le inclinazioni degli asteroidi, determinando un periodo di di velocità di impatto sufficienti a vaporizzare i metalli. Se la formazione di condriti CB fosse dovuta alla migrazione di Giove, si sarebbe verificata dopo la formazione del sistema solare.