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GIOVE: AMICO O NEMICO? JONTI HORNER & BARRIE JONES

ASTROFILOl’

Giove: amicoo nemico?

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Per lungo tempo Giove è stato ritenuto avere un'influenza protettiva verso la Terra, schermandola da asteroidi e cometeche avrebbero potuto altrimenti minacciare l'esistenza dellavita sul nostro pianeta. In anni recenti, due scienziati britan-nici hanno esaminato più da vicino il ruolo che Giove rivestenel determinare il tasso col quale i corpi minori collidono conla Terra, scoprendo che la situazione è molto più complicata di quanto precedentemente creduto. Ma allora, Giove, è unamico o un nemico? Per saperlo, continua a leggere...

Si è a lungo creduto che il pianeta Gioveavesse un ruolo protettivo nel nostro

sistema solare, agendo come un “tutoredella legge celeste” nel rimuovere oggettipotenzialmente pericolosi, prima che que-sti avessero l’opportunità di impattare sullaTerra. L’idea in sé è straordinariamente

pervasiva e può essere trovata ovunque,dal materiale didattico per bambini agliarticoli accademici che considerano anchei vari fattori che possono determinare seun pianeta di tipo terrestre attorno a unastella distante può ospitare la vita. È piut-tosto sorprendente, dunque, realizzareche fino a tempi recenti quasi nessun ri-cercatore si era fatto carico di esaminarese la teoria si adattava alla realtà.Verso la fine del 2006, gli autori, il Dr. JontiHorner e il Prof. Barrie Jones, intrapresero

Nella prima-vera del 1993

fu scopertauna cometa

molto curiosa.Non era unoggetto sin-

golo, bensì ungruppo di

frammenti co-metari disposti

in fila. Rico-struendo la

loro orbita nelpassato sì è

scoperto cheprovenivano

probabilmenteda un unicocorpo che sifrantumò nel

1992, pas-sando molto

vicino a Giove[NASA/HST,H. Weaver,

T. Smith]

uno studio volto a colmare quella lacunanella ricerca, con l’obiettivo di rispondereuna volta per tutte alla domanda: “Gioveè un amico o un nemico?”.Nel nostro sistema solare vi è una gran va-rietà di oggetti. Gli otto pianeti si muovonoattorno al Sole su percorsi approssimati-

vamente circolari e hanno quasi ripulito iloro dintorni dai detriti una volta presenti.Fra le orbite di Marte e Giove risiede unavasta popolazione di oggetti, noti nel loroinsieme come Fascia degli asteroidi. A dispetto del fatto che gli asteroidi all’in-terno della Fascia si siano gradualmentefrantumati fin dalla nascita del sistema so-lare, attraverso reciproche collisioni chehanno sparpagliato frammenti rotanti nellospazio, esiste ancora una significativaquantità di materiale in movimento, e in-

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fatti si stima che contenga, probabilmente,oltre un milione di oggetti con diametromaggiore di 1 km.Gli asteroidi della Fascia percorrono orbiteche tipicamente sono stabili per periodi ditempo comparabili con l’età del sistemasolare, ma che sono anche disturbate gra-

vitazionalmente, soprattut-to da Giove, il che favoriscenuove collisioni.I frammenti degli asteroididistrutti possono esserelanciati su nuove orbite,meno stabili, a partire dallequali possono farsi largoverso il sistema solare in-terno, dove divengono aste-roidi di tipo near-Earth. Una volta che un asteroidesi è posizionato su un’orbitacompresa nel sistema so-lare interno, da quella saràrapidamente rimosso, o percollisione con il Sole o conuno dei pianeti, o per un in-contro ravvicinato con unodi questi ultimi e conse-guente espulsione (effetto“fionda”) dal sistema solare, senza possi-bilità di ritorno. Abbiamo pertanto una ri-serva stabile di oggetti, la Fascia degliasteroidi, e una popolazione figlia instabiledi oggetti potenzialmente pericolosi, gliasteroidi near-Earth.Ci sono attualmente oltre un migliaio di“Potentially Hazardous Asteroids” cono-sciuti, ed è probabile che all’incirca lostesso numero rimanga ancora da sco-prire. È indiscutibile che tali oggetti rappre-sentino un rischio importante per la Terra.Lontano dal Sole, appena oltre l’orbita di

Nettuno, è presente un altro disco di de-triti, residuo della formazione del nostro si-stema solare. La fascia di Edgeworth-Kuiper (così è chia-mato quel disco) è simile alla fascia degliasteroidi per molti motivi: comprende unampissimo numero di oggetti (ma si ritiene

che possa contenere molto più materialedella Fascia degli asteroidi), tutti in movi-mento su orbite molto stabili, tanto che sefosse possibile tornare indietro di un mi-liardo di anni, la vedremmo essenzial-mente identica ad oggi.La fascia di Edgeworth-Kuiper ha una po-polazione compagna, il “disco diffuso”,che si muove essenzialmente nella stessaregione di spazio, ma su orbite piuttostoinstabili. La maggior parte degli oggetticontenuti nel disco diffuso vi rimarrà pro-babilmente ancora per un miliardo di

Questo mosaico di imma-gini dell’HST mostra

l’evoluzione di uno dei sitidi impatto su Giove

della cometa SL9.[R. Evans, J. Trauger, H.

Hammel and the HSTComet Science Team

and NASA/ESA]

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anni, ma occasionalmente, forse come ri-sultato della collisione fra due oggetti oper le lontane perturbazioni dei pianeti gi-ganti, un numero imprecisabile di essiuscirà dal disco è si inserirà in orbite cheli porteranno più vicini al Sole di quantolo sia Nettuno.Da riserva stabile ecco dunque che questioggetti si uniscono a quella popolazioneasteroidale nota col nome di Centauri, i cuimembri si muovono in modo caotico, prin-cipalmente nella regione fra Nettuno eGiove, e appaiono disperdersi in avanti eindietro come le palline del flipper. Allafine, su periodi di milioni di anni, i Centaurisono rimossi praticamente nello stessomodo visto per gli asteroidi near-Earth.Circa un terzo di essi sarà scagliato nel si-stema solare interno da Giove, diventandocomete a corto periodo. Queste si muo-

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Un esempiodi frammen-

tazione di unnucleo come-tario è quello

della 73P/Schwas-smann-

Wachmann 3,iniziato nel

1995.

vono su orbite altamente eccentriche,molte delle quali le portano a incrociarel’orbita della Terra. Avvicinandosi quindi alSole, il materiale ghiacciato contenutonella loro massa evapora, portando con ségrandi quantità di polveri e trasformandola “piccola palla di neve sporca” in uno deipiù grandi oggetti del sistema solare. Lachioma gassosa di una cometa può esseregrande come il Sole, e la coda di gas e pol-veri, sotto l’azione del vento solare, puòallungarsi verso l’esterno fino a raggiun-gere la distanza che c’è fra il Sole e Marte!Le comete della famiglia di Giove si muo-vono su orbite che richiedono tipicamenteappena 5 o 6 anni per essere completate,il che significa che frequentano il sistemasolare interno per lungo tempo. La Terraè essenzialmente un bersaglio in movi-mento in un poligono di tiro pieno di que-sti oggetti. Un bersaglio molto piccolo,ma dando abbastanza tempo è certo chesarà colpito.Lontano, molto più lontano dal Sole dellafascia di Edgeworth-Kuiper e del disco dif-fuso, c’è una terza vastissima riserva dipiccoli oggetti, conosciuta come Nube diOort. Se la Fascia degli asteroidi e le variepopolazioni presenti poco oltre l’orbita diNettuno sono ritenute annoverare milionio decine di milioni di oggetti con diametromaggiore di 1 km, si pensa che la Nube diOort possa contenere un milione di milionidi oggetti oltre quella minima dimensione,se non di più.

Evoluzione dei siti di impatto D e G suGiove. [NASA, HST Team]

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In altre parole, si pensa possa contenerealmeno 1000000000000 di palle di nevesporca, tutte più grandi di 1 km. Nono-stante questa immensa popolazione, ladensità del materiale nella Nube è note-volmente bassa, infatti un suo tipico og-getto non è meno distante dal suo vicinopiù prossimo della distanza che c’è fra ilSole e Urano (circa 19 volte la distanzaTerra-Sole).La Nube di Oort è ritenuta estendersi versol’esterno fino a circa metà strada con la

stella più vicina; è così vasta che la luceimpiegherebbe 4 anni per viaggiare da uncapo all’altro. Gli oggetti appartenenti alla Nube riman-gono tipicamente lontani dal sistema so-lare interno, ma “pizzicotti” gravitazionalidati da stelle di passaggio e la leggeraspinta gravitazionale esercitata della no-stra galassia nella sua interezza generanoun flusso continuo di questi oggetti versoil regno dei pianeti, dove divengono visibilicome comete di lungo periodo, o “cometedella Nube di Oort”.Pertanto, nel nostro sistema solare, ab-

biamo tre distinte riserve stabili che, al lorointerno contengono un enorme numero dicomete e asteroidi avanzati dalla forma-zione del sistema solare stesso (in realtà,ci sono altre due riserve, ed entrambe pos-sono contribuire alla popolazione dei Cen-tauri, i troiani di Giove e Nettuno, ma me-riterebbero una trattazione a parte).Ci sono di conseguenza anche tre distintepopolazioni di oggetti potenzialmente pe-ricolosi. Gli asteroidi near-Earth, i figli dellapopolazione della Fascia principale, sono

attualmente consideraticontribuire per i 3/4 alflusso di impatti sullaTerra, con il restantequarto costituito dallecomete della famiglia diGiove e della Nube diOort. Ognuna di questepopolazione è pertur-bata in modi fortemen-te diversi dall’influenzagravitazionale dei pia-neti, ma per tutte Giovegioca un ruolo chiave nel

determinare il destino dei loro membri.Al fine di esaminare la reale influenza diGiove sul tasso di impatti contro la Terra èquindi necessario considerare il suo effettosu ognuna delle tre popolazioni di oggettipericolosi discussi più sopra. L’idea cheGiove agisca come un amico della Terra,schermandoci dagli impatti, risale proba-bilmente agli anni Sessanta, quando si ini-ziò ad accettare che i crateri sulla Terra asulla Luna fossero il risultato di impatti dioggetti provenienti dallo spazio. A queltempo erano conosciute pochissime co-mete della famiglia di Giove e pochissimi

Rappresentazionedelle orbite della nu-merosissima famigliadi comete legate aGiove. In fucsia l’or-bita del pianeta; inrosso quella della co-meta di Encke; in bluquella della Terra.[ESOC/ESA]

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asteroidi near-Earth, e pertanto si credevache le comete della Nube di Oort rappre-sentassero il contributo principale al flussodi impatti sulla Terra.Un consistente numero di comete dellaNube è stato osservato abbastanza beneda poterne calcolare le orbite con un certogrado di accuratezza, e una caratteristicacomune sembra essere che una significa-tiva frazione viene lanciata fuori dal si-stema solare dopo esservi passata attra-verso, e questo principalmente come risul-tato di lontane perturbazioni gravitazionalidovute a Giove. Sembrerebbe dunque lo-gico supporre che senza un Giove in circo-lazione, in grado di allontanare definiti-vamente questi oggetti, essi potrebberotornare più volte, divenendo una minac-cia ancor più grande per la Terra. Giove,quindi, sarebbe un amico.Dai decenni in cui questa idea divenne pre-valente, la nostra conoscenza del sistemasolare è estremamente cambiata. Non ap-pena telescopi e sensori sono divenuti più

potenti, un gran numero di aste-roidi near-Earth e di comete dellafamiglia di Giove sono stati prestoscoperti. Oggi si ritiene che le co-mete della Nube siano in realtà lameno minacciosa delle tre popo-lazioni di oggetti potenzialmentepericolosi, contribuendo minima-mente agli impatti.Nonostante l’idea basasse unica-mente sul modo in cui Giove sisbarazza delle comete della Nu-be, il concetto di “Giove, l’a-mico” ha continuato a essereampiamente predicato.Nel tentativo di rimediare a ciò,

gli autori hanno eseguito una serie di si-mulazioni al computer altamente detta-gliate, modellizzando l’evoluzione di va-ste popolazioni di potenziali impattatori,sotto l’influenza gravitazionale dei pia-neti, per periodi di decine di milioni dianni. Poiché le tre popolazioni di oggettipotenzialmente pericolosi si comportanoin modi nettamente diversi, hanno con-siderato una popolazione alla volta ehanno semplicemente contato la fre-quenza con cui gli oggetti impattano vir-tualmente la Terra.Per determinare il ruolo di Giove, gli autorihanno ripetuto le simulazioni più volte eogni volta usando un “Giove” con unamassa diversa (da un piccolo pianeta con1/100 della reale massa gioviana, fino aun gigante grande il doppio di Giove). Gliautori hanno persino considerato scenariin cui nessun pianeta era presente.Ora, se Giove è veramente amico dellaTerra, più massiccio è (e quindi maggioreè l’effetto che può avere), meno impatti

Le due luminose comete del2007. Sopra: la cometa a cortoperiodo 17P/Holmes, ripresa al-l’inizio di dicembre. Sotto: la co-meta a lungo periodo C/2006 P1McNaught, fotografata il 28 gen-naio. [Bob Nanz (San DiegoAstronomy Association) - Milo-slav Druckmuller (Brno Univer-sity of Technology)]

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Igrafici qui sopra mostrano il nu-mero di comete a lungo periodo

che sopravvivono in funzione deltempo, su una popolazione inizialedi 100 000 oggetti, disposti su orbiteche li portano più vicini al Sole del-l’orbita di Saturno. A causa deglienormi periodi orbitali di questecomete e della bassa probabilitàdi ciascuna di impattare la Terra,abbiamo utilizzato il numero rima-nente nel sistema come approssi-mazione della minaccia di im-patto contro la Terra (se una co-meta è rimossa, non torna a mi-nacciare il nostro pianeta). Quindi,se abbiamo lo stesso flusso in en-trata di nuove comete dalla Nubedi Oort, ma un numero minore diesse sono espulse, significa cheabbiamo un maggior numero di ri-torni pericolosi per la Terra e quindiuna maggiore minaccia di im-patto. Il grafico più in alto mostra ilcalo del numero delle comete infunzione del tempo (la linea neraè lo scenario con Giove alla mi-nima massa, mentre la linea cianoè lo scenario con la massa più ele-

vata). Come si può vedere, alcrescere della massa le co-mete di lungo periodo sonoesplulse dal sistema solare concrescente efficienza, portandoa una riduzione di quelle che ri-tornano e quindi a una ridu-zione della minaccia di im-patto contro la Terra.

Nel riquadro qui sotto sonomostrate le curve del tasso

di impatto contro la Terra rela-tive a oggetti appartenentialla Fascia degli asteroidi eai Centauri, sempre in funzio-ne del tempo. Questo è un po’più semplice da capire, poi-ché mostra solo il numero diimpatti contro la nostra Terra“gonfiata” durante le integra-zioni. Per entrambe le popola-zioni il picco del flusso degliimpatti è quando “Giove” haall’incirca la stessa massa delvero Saturno, con il tasso cheprecipita non appena il Giovevirtuale diviene più o menomassiccio di quel valore.

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dovrebbe subire la Terra. D’altra parte, seGiove fosse invece un nemico, la fre-quenza degli impatti sulla Terra dovrebbeaumentare via via che il pianeta diventapiù massiccio.Tenendo presente questo, gli autori hannocontato il numero di impatti sulla loro Terravirtuale, per popolazioni di oggetti ripro-ducenti gli asteroidi near-Earth e le co-mete della famiglia di Giove. Nonostante le simulazioni permettesserodi seguire l’evoluzione di centinaia di mi-gliaia di simili oggetti per dieci milioni dianni, la Terra è in realtà un bersaglio cosìpiccolo che, anche nel peggiore degli sce-

nari, ci si potevavo aspettare pochissimiimpatti. Per aggirare questo problema, eal fine di ottenere una statistica significa-tiva, la Terra virtuale degli autori eramolto più grande del nostro pianeta (cosìda allargare il centro del bersaglio al qualegli oggetti pericolosi dovevano mirare).Comparando i risultati a differenti massedel Giove virtuale, non c’era verso che iltasso degli impatti crescesse dello stessofattore.Ma allora, Giove, è realmente un amico oè un nemico? Vediamo i risultati ottenutiper ogni popolazione di oggetti minacciosi.

Gli asteroidi near-Earth

Quando gli autori hanno osservato il modoin cui varia il tasso di impatti degli asteroidinear-Earth sulla Terra in funzione dellamassa di Giove, hanno trovato qualcosa disorprendente. Invece di calare al cresceredella massa di Giove, il tasso degli impattiera cresciuto, quindi ciò che accadeva erapiù complicato del previsto. A masse gio-viane basse, il tasso degli impatto sullaTerra era molto basso (Giove era sempli-cemente troppo piccolo per scagliare og-getti sul nostro cammino). Ad alte massegioviane, il tasso degli impatti era ancora

relativamente basso, ma a masse interme-die (attorno a 1/5 della massa del veroGiove), il tasso degli impatti era di granlunga più alto che non alla massa estrema.La frequenza degli impatti cresce rapida-mente al crescere della massa gioviana, finquando viene raggiunto il picco al valoresuindicato, dopodiché di abbassa non ap-pena la massa cresce ulteriormente.Ricordando che gli asteroidi near-Earth,nel nostro sistema solare, sono ritenuticontribuire per circa il 75% alla minacciada impatto contro la Terra, è chiaro daquesti risultati che l’idea di un Giove amico

Questa ca-tena di crateri

sulla lunagioviana

Ganimedefornisce la di-mostrazione

che le co-mete pos-

sono essereframmentatedi frequentedalla gravità

dei pianetiprima di

collidere conessi o con le

loro lune.[NASA/JPL]

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è, a dir poco, un’eccessiva semplificazionedella situazione reale. Perché il tasso degliimpatti si comporta in quel modo?Allora, risulta che uno dei modi più effi-cienti attraverso il quale gli oggetti sono di-rottati dalla Fascia degli asteroidi verso ilsistema solare interno è attraverso gli ef-fetti di un qualcosa chiamato “risonanzasecolare u6”. Quando Giove è di massamolto piccola, gli effetti di questa risonanzasono molto deboli e il pianeta è quindi in-capace di inserire molto materiale nel si-stema solare interno. Al crescere dellamassa gioviana, la posizione di questa ri-sonanza secolare si muove gradualmenteverso l’interno, attraverso la Fascia degliasteroidi. L’ampiezza della risonanza au-

menta e la sua forza cresce, tanto che,quando la massa del Giove virtuale è ap-prossimativamente 1/5 di quella del veroGiove, la risonanza produce un’ampia la-cuna nella distribuzione degli asteroidi, ca-pace di sospingere grandi quantità dimateriale nel sistema solare interno.Non appena la massa del pianeta cresceulteriormente, anche la forza degli effetti

di risonanza crescono, ma a quel punto laposizione della risonanza si sposta sulbordo più interno della Fascia asteroidale,lontana dalla maggior parte del materialeche vi risiede. In aggiunta, la risonanza sirestringe. Entrambi questi effetti implicanoche l’efficienza con cui la risonanza può so-spingere materiale verso di noi cala nuo-vamente, portando direttamente alla ridu-zione del tasso degli impatti.

Le comete della famiglia di Giove

Anche in questo caso il lavoro degli autoriproduce risultati inattesi. Come avvenutoper gli asteroidi near-Earth, trovano che iltasso degli impatti relativo a questi

oggetti era moltobasso quando Gio-ve era di piccolamassa. Ad elevatemasse gioviane iltasso era ancorarelativamente bas-so, ma era signifi-cativamente mag-giore rispetto allemasse più piccole.Tuttavia, quandoGiove era circa 1/5della massa reale,c’era ancora unampio picco neltasso degli impatticontro la Terra. Ancora una volta, il

pianeta non era proprio un amico, e nem-meno un nemico, ma piuttosto poteva as-sumere entrambi i ruoli a seconda delvalore della sua massa.Il ragionamento in questo caso è un po’ piùpreciso che per gli asteroidi near-Earth.Quando Giove è di massa molto modesta,è semplicemente troppo leggero per per-turbare facilmente oggetti provenienti dal

La cometa Encke (celebre membro dellafamiglia di Giove) ripresa dallo SpitzerSpace Telescope. [NASA/JPL-Caltech/M.Kelley (Univ. of Minnesota)]

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sistema solare ester-no (i Centauri) e inse-rirli su orbite Earth-crossing. Al cresceredella massa, il pianetadiviene più abile inquesto ruolo e il nu-mero di comete dellafaglia di Giove poten-zialmente pericoloseaumenta. Infine, se lamassa continua a cre-scere, Giove diventaabbastanza grosso daspedire oggetti del no-

stro sistema solare su orbite senza ritorno.Da quel punto in avanti, se la massa cresceancora, il pianeta diventa sempre più effi-ciente nel rimuovere oggetti dal sistemasolare interno, e così, sebbene esso inse-risca comete nuove a un tasso screscente,quelle comete passano un periodo ditempo così breve dalle parti del Sole primadi essere espulse, che la possibilità diognuna di esse di impattare la Terra sva-nisce, e quindi si riduce anche il flusso to-tale degli impatti.

Le comete della Nube di Oort

Qui la situazione è assai semplice. Come ènoto dalle osservazioni delle comete dellaNube e da precedenti studi sulla loro evo-luzione orbitale, Giove è particolarmenteefficiente nel rimuovere definitivamentequesti oggetti dal sistema solare. Al cre-scere della massa del pianeta cresce anchel’efficienza con cui le comete della Nubesono espulse, e quindi poche di esse ridi-ventano una minaccia potenziale per laTerra. Fino a questo punto quindi, perquanto riguarda le comete della Nube,sembra che Giove sia veramente nostroamico. Tuttavia, poiché esse costituisconosolo una frazione relativamente piccoladella minaccia di impatti contro la Terra, ciòcambia di poco le conclusioni generali.

Giove: amico o nemico?

Il risultato finale del lavoro degli autori èche il ruolo giocato da Giove nella deter-minazione della frequenza con cui la Terrasubisce collisioni da parte di piccoli oggettiè molto più complicato di quanto prece-dentemente ritenuto. Prendendo i risultatidei loro tre studi nel loro insieme, emergeche il nostro Giove causa probabilmentealla Terra pochi più impatti di quanti ce nesarebbero se Giove stesso non esistesse.Tuttavia, se il pianeta fosse più massiccioil tasso degli impatti sarebbe inferiore aquello osservato.Ciò che possiamo dire per concludere è chese Giove avesse una massa simile a quelladi Saturno, la Terra subirebbe molti più im-patti e la storia del nostro pianeta, e del-l’evoluzione della vita su di esso avrebberopreso un corso molto diverso e molto piùcaotico.

Jonti Horner è Research Fellow alla Univer-sity of New South Wales, e si è da poco tra-sferito in Australia dal Regno Unito. Èimpegnato nella ricerca di pianeti attorno adaltre stelle coordinata dal Prof. Chris Tinneyall’UNSW, ma continua a produrre simula-zioni dettagliate sulla formazione ed evolu-zione del nostro sistema solare, così comericerche sull’abitabilità dei pianeti. È membrodel comitato dell’Astrobiology Society e del-l’Astrobiology Society of Great Britain. Il suosito web personale è http://jontihorner.com.

Barrie Jones è Professore Emerito di Astro-nomia presso la Open University. Poco dopola scoperta del primo esopianeta annunciatanel 1995, ha iniziato una ricerca volta a sta-bilire se la “Goldilocks zone” di ogni sistemaextrasolare può offrire orbite stabili per queipianeti di tipo terrestre ancora da scoprire.Questo lavoro era stato condotto con duePhD students. Più recentemente, Jones halavorato con il Dr. Horner sulla possibilità cheGiove ci schermi da eccessivi impatti di aste-roidi e comete. Oltre a contribuire ai corsi diFisica e Astronomia della Open University,ha, prima e dopo il “pensionamento”, scrittoi suoi libri di Astronomia, l’ultimo dei quali è“Pluto: Sentinel of the Outer Solar System”,pubblicato da Cambridge University Pressnell’agosto 2010. Il suo sito web personale èhttp://barriewjones.com.

Uno degli autori, ilProfessor BarrieJones.