I Corpi Minori del Sistema Solare      -     Gli Asteroidi


Le famiglie dinamiche

Dato per acquisito il fatto che i meccanismi collisionali sono stati determinanti per l'evoluzione fisica e dinamica degli asteroidi, è logico ipotizzare la possibilità di identificare, attraverso analisi dinamiche, quali corpi si possano essere formati in seguito ad un impatto, ricostruendo in tal modo vere e proprie famiglie di oggetti riconducibili ad una origine comune.
L'ipotesi di fondo è che tali oggetti possano essere riconosciuti grazie al fatto di presentare elementi orbitali molto simili, proprio in forza del comune luogo di formazione.
Tale ipotesi fu in qualche modo verificata già nel 1918 dal giapponese Hirayama, il quale, diagrammando le caratteristiche orbitali (semiasse, eccentricità e inclinazione) degli asteroidi, notò l'esistenza di ben definiti addensamenti di oggetti, e questa situazione lo portò ad introdurre il concetto di famiglie dinamiche. Tali addensamenti sono ben visibili nella figura, che riporta il diagramma sin i - a per oltre 12.000 asteroidi; nella stessa figura si possono individuare anche le lacune corrispondenti a zone di risonanza (Figura 4 - Zappalà e Cellino, Asteroid Families, 1993).

Figura 4 - Diagramma a'-sin(i') per oltre 12.000 asteroidi

In sostanza si tratta di oggetti non fisicamente vicini nello spazio, ma caratterizzati da parametri orbitali originari (detti elementi propri) molto simili, e ciò viene collegato ad un'origine comune; di alcune di queste famiglie è anche stata tentata una probabile ricostruzione. Nella ricostruzione della famiglia di Eos (Figura 5 - Lang e Whitney, Vagabondi nello spazio, 1994) si riconoscono: 221 Eos, 339 Dorothea, 573 Recha, 579 Sidonia,. 653 Berenike, 742 Edisona e 1087 Nata. In quella successiva, che riporta la ricostruzione della famiglia di Koronis, (Figura 6 - Lamberti, l'astronomia, 138, 6; 1993) si riconoscono 158 Koronis, 167 Urda, 208 Lacrimosa, 243 Ida, 462 Eriphyla e 720 Bohlina.

Figura 5 - Ricostruzione della famiglia di Eos Figura 6 - Ricostruzione della famiglia di Koronis

Il termine famiglia ha in sè una duplice possibile valenza: dal punto di vista dinamico indica un gruppo di asteroidi dotati di elementi propri molto simili, dal punto di vista fisico va correlato ad una origine comune, indicando pertanto un insieme di frammenti provenienti dalla distruzione di un corpo progenitore.
Non necessariamente, però, questi due significati devono coincidere, è questo il motivo per cui sono state proposte anche nomenclature alternative (quali clan, cluster...) riservando il termine famiglia solo per gli asteroidi per i quali coincidono le analisi fisiche e quelle dinamiche.
Indirizzando la nostra attenzione sulla classificazione dinamica, possiamo rilevare che la determinazione del numero delle famiglie e l'identificazione degli asteroidi ad esse appartenenti è un problema affrontato, dopo Hirayama, da molti ricercatori con differenti risultati.
Dall'introduzione del concetto di famiglia dinamica fino all'inizio degli anni '80 sono state introdotte sette classificazioni.
Alcune caratteristiche sono riassunte nella seguente tabella:

Autore

Anno N. oggetti N. famiglie
   Hirayama 1918/1933 1223 9
   Brouwer 1951 1563 18
   Arnold 1969 1735 37
   Lindblad e Southworth 1971 1735  
   Carusi e Massaro 1978 1861 10
   Kozai 1979 2125 72
   Williams 1979 1796 104

(Adattata da: Carusi e Valsecchi, Astron. Astrophys., 115, 332, table 8; 1982)

Le differenze tra queste classificazioni vengono analizzate da Carusi e Valsecchi (1982) e ricondotte a 5 possibili fattori:
1.  metodo utilizzato per il calcolo degli elementi propri; con questo termine si intendono i parametri orbitali calcolati rimuovendo gli effetti delle perturbazioni indotte dai pianeti (effetti gravitazionali e di risonanza);
2.  criterio di accettazione degli oggetti da classificare;
3.  dimensioni numeriche del campione a disposizione;
4.  metodi utilizzati per l'identificazione delle varie famiglie;
5.  criterio di esclusione o accettazione dei singoli asteroidi come membri di una famiglia (evidentemente legato strettamente al metodo di identificazione utilizzato).

Dal lavoro citato emerge un sostanziale accordo su quelle famiglie che, usando il termine nel senso più stretto, possono essere definite famiglie di Hirayama (in quanto indicate come tali dall'astronomo giapponese nel 1933), vale a dire: Themis, Eos, Koronis, Maria (ex Egeria) e Flora.
Ad esse si possono affiancare Phocaea e Nysa, non considerate da Hirayama, ma identificate dagli altri ricercatori.
Riguardo alle altre famiglie emerge un quadro molto variegato nel quale per alcuni casi si possono notare sostanziali accordi, mentre per altri esistono anche notevoli diversità tra le classificazioni.
Un aumento di interesse e di motivazione si è avuto verso la fine degli anni 80; ad esso hanno contribuito molti fattori, ma forse quelli decisivi possono essere identificati (Zappalà et al., 1990) nei seguenti:
a) approfondimento degli studi dinamici sulle orbite degli asteroidi, soprattutto per quanto riguarda i meccanismi di risonanza, e dunque maggiore affidabilità nella determinazione degli elementi propri;
b) aumento notevole delle informazioni sulle tipologie tassonomiche e sui dati fisici (dimensioni, profili, ...) degli asteroidi, e dunque possibilità di approfondire le analisi sulle singole famiglie;
c) nuovi modelli collisionali in grado di offrire una controparte teorica alla situazione descritta attraverso le famiglie dinamiche, ormai accettate come risultato di impatti asteroidali molto violenti.

Una fondamentale innovazione è stata l'introduzione dell'idea che si potesse realizzare una classificazione di famiglie dinamiche per mezzo di procedure interamente automatiche, dunque basate su criteri oggettivi.
Uno di questi metodi (Zappalà et al., 1990) è chiamato hierarchical clustering e consiste (in una descrizione sommaria) nell'applicazione dei seguenti passi:
  1.  i dati di riferimento utilizzati sono gli elementi propri (a', e', sin i') del campione di asteroidi preso in considerazione;
  2.  viene definita, nello spazio tridimensionale degli elementi propri, una metrica che consenta di determinare le distanze tra gli elementi di questo spazio;
  3.  si determinano i raggruppamenti esistenti calcolando le mutue distanze (v) tra gli elementi dello spazio, ed in base a queste si costruisce un diagramma a stalattite (v-N);
  4.  si deve a questo punto individuare quale raggruppamento costituisca una possibile famiglia dinamica e quale, invece, sia frutto di un addensamento casuale; in altre parole si tratta di determinare quale sia il valore di soglia al quale "tagliare la stalattite".
Naturalmente quest'ultimo passo non è frutto di scelte arbitrarie, ma proviene dall'introduzione di una popolazione asteroidale fittizia (e casuale) la cui distribuzione fornisce i valori di soglia cercati.
L'introduzione di criteri oggettivi nella determinazione delle famiglie dinamiche ha comportato un'ulteriore crescita di interesse e nuovi studi.
Molto importante l'analisi (Zappalà et al., 1995) effettuata su una popolazione di 12.487 asteroidi attraverso due differenti tecniche di clustering (hierarchical clustering e wavelet analysis, quest'ultimo basato sul concetto di densità nello spazio degli elementi propri) i cui risultati sono poi stati comparati.
Per fare il punto sulla attuale situazione in merito alle conoscenze relative alle famiglie dinamiche, ritengo sia fondamentale riportare proprio i risultati ottenuti nello studio appena citato.
Gli asteroidi del campione considerato (7.871 dei quali non hanno numerazione) sono stati suddivisi in tre gruppi in base alla posizione occupata nella Fascia Principale; le caratteristiche di questa suddivisione possono essere riassunte in questo schema:

  ZONA INTERNA ZONA INTERMEDIA ZONA ESTERNA
a min (UA) 2.065 2.501 2.825
a max  (UA) 2.501 2.825 3.278
N TOT 5451 3711 3325
N NUM 1691 1274 1651

(Adattata da: Zappalà et al., Icarus 116, p.293 tav.I; 1995)

Le tabelle seguenti riassumono, per ciascuna zona, la situazione delle famiglie identificate come tali da ambedue i metodi di clustering.
In ogni tabella viene riportato il nome identificativo di ciascuna famiglia (a volte differisce tra i due metodi), il numero di oggetti individuato come appartenente alla famiglia da ciascuna delle due tecniche (HCM = hierarchical clustering method, WAM = wavelet analysis method) ed infine il numero di oggetti comuni ai due gruppi.

TABELLA I - Zona Interna

Id (HCM)

NHCM

Id (WAM)

N WAM N COM
8 Flora 604 43 Ariadne 575 434
44 Nysa 381 35 Hertha 374 300
4 Vesta 231 4 Vesta 242 187
20 Massalia 49 20 Massalia 45 33
163 Erigone 45 163 Erigone 49 42

(Adattata da: Zappalà et al. - Icarus 116, p.310, table VIII; 1995)

TABELLA II - Zona Intermedia

Id(HCM) NHCM Id(WAM) NWAM NCOM
15 Eunomia 439 15 Eunomia 303 298
1 Ceres 89 93 Minerva 88 84
170 Maria 77 170 Maria 83 74
668 Dora 77 668 Dora 79 75
145 Adeona 63 145 Adeona 67 61
125 Liberatrix 44 847 Agnia 74 35
110Lydia 26 110Lydia 50 26
808 Merxia 26 808 Merxia 29 26
569 Misa 25 569 Misa 27 23
1726 Hoffmeister 22 110 Lydia 50 15
1726 Hoffmeister 22 272 Antonia 12 7
2085 Henan 22 847 Agnia 74 19
410 Chloris 21 410 Chloris 27 21
1644 Rafita 21 1644 Rafita 23 21
128 Nemesis 20 58 Concordia 38 20
1128 Astrid 10 1128 Astrid 11 10
1639 Bower 10 342 Endymion 15 10

(Adattata da: Zappalà et al. - Icarus 116, p.311, table IX; 1995)

TABELLA III - Zona Esterna

Id (HCM) N HCM Id (WAM) N WAM N COM
24 Themis 550 24 Themis 517 491
221 Eos 477 221 Eos 482 444
158 Koronis 325 158 Koronis 299 289
10 Hygiea 103 10 Hygiea 175 97
490 Veritas 22 92 Undina 36 22
137 Meliboea 13 137 Meliboea 16 13
1298 Nocturna 18 10 Hygiea 175 18
293 Brasilia 10 293 Brasilia 18 10

(Adattata da: Zappalà et al. - Icarus 116, p.312, table X; 1995)

Si può notare un sostanziale accordo tra i due metodi, almeno per quanto riguarda le famiglie più numerose ed importanti, ma sono evidenti anche notevoli differenze (piccoli gruppi identificati come famiglie da un metodo e non classificati in modo così sicuro con l'altro, raggruppamenti confinanti riuniti da una tecnica e non dall'altra, ecc...).  Queste differenze non fanno che confermare come non sia possibile stilare una lista delle famiglie limitandosi ad impiegare le analisi dei soli parametri dinamici, ma queste devono essere sostenute e avvalorate da altre indagini (spettrofotometria, dimensioni, albedo, ecc.), cioè si deve confermare una omogeneità di parametri fisici che possano testimoniare l'origine comune.
In questa direzione si può collocare la recente survey spettroscopica dei piccoli asteroidi della Fascia Principale (Shui Xu et al., 1995) che non solo ha chiaramente mostrato per alcune famiglie l'omogeneità tassonomica degli asteroidi ad esse appartenenti, ma ha anche evidenziato, per altre, una notevole varietà di tipologie.
Questa conclusione, se da un lato sottolinea una volta di più la problematicità talvolta presente nell'identificazione delle famiglie, dall'altro rende merito, se ancora fosse necessario, alla felice intuizione di Hirayama.
Emerge inoltre la fondamentale e pressante esigenza di costruire modelli evolutivi teorici che siano in grado di fornire situazioni dinamiche in linea con le attuali conoscenze della distribuzione spaziale e dimensionale degli asteroidi.


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