Forelesning 11: Dannelsen av solsystemet AST1010 – En kosmisk reise Forelesning 11: Dannelsen av solsystemet

I dag Planetene i grove trekk Kollapsteorien Litt om eksoplaneter

Solsystemet: Varierende relative mengder av metaller og silikater forhold til mengdene av gass og is Jordlignende planeter: metall og stein Gasskjemper: H, He Iskjemper: is + gass Kuiperbeltet: ”bare” is

Grunnstoffene i sola: Mest hydrogen Merk at aksen for hyppighet er logaritmisk. ~ 90% hydrogen, ~ 10% helium og ~ 0.1% andre stoffer.

Steinplaneter: Lav masse, høy tetthet

Det indre av steinplanetene AST1010 - Planetsystemet

Det indre av gasskjempene AST1010 - Planetsystemet

Solsystemets dannelse Fra kollaps av en gasståke som fantes før planetsystemet og sola ble dannet – Kant (1755) og Laplace (1796). Utfordringer fra observasjoner av planeter rundt andre stjerner (eksoplaneter).

Dannelsen av planetsystemet - observasjoner som må forklares Store gass- og isplaneter ytterst, mindre stein- og metallplaneter innerst. Områder med mindre legemer: asteroidebeltet, Kuiperbeltet og Oortskyen. Planetbanene er nesten sirkulære, ligger i nesten samme plan, og planetene går rundt solen i samme retning. Solen og de fleste planetene roterer i samme retning som planetene går rundt solen.

Flere observasjonelle krav Planetene har 99% av spinnet mens sola har 99% av massen. Systematiske forskjeller i kjemisk sammensetning mellom planetene gir en mindre andel av lette grunnstoffer i den indre del av solsystemet.

Kollapsmodellen

Påminnelse: Spinnbevaring AST1010 –

Fordeling av spinn i solsystemet Sola: 1.14% Merkur – Mars: 0.15% Jupiter: 60.8% Saturn: 24.6% Uranus: 5.3% Neptun: 7.9% Pluto: 0.001% Husk at sola har 99.86% av massen (spinn er proporsjonalt med masse).

En moderne teori for dannelsen Supernovaeksplosjon  Fortetning  Gravitasjonskollaps + tilførsel av grunnstoffer tyngre enn hydrogen. Anriker gassen – sola kan være en 3dje generasjons stjerne. En opprinnelig rotasjon av skya for å få dannet en planetskive.

Hvor kommer spinnet fra? Turbulens i den interstellare skyen som er opphav til dannelsen. Kollisjon mellom interstellare Skyer - gravitasjon lager rotasjon av begge skyene.

Ladd partikkel i magnetfelt Legg merke til at kraften ikke har noen komponent langs magnetfeltets linjer. Det betyr at partikkelens hastighet langs magnetfeltet er konstant. Dersom den i utgangspunktet hadde en hastighet langs feltet, blir resultantbevegelsen sammensetningen av rettlinjet bevegelse langs feltet og sirkulær bevegelse i planet vinkelrett på magnetfeltet. Denne kurven kalles en heliks, eller en skruelinje på godt norsk. På tvers av magnetfeltet: Sirkelbevegelse På langs av magnetfeltet: Ingen kraft (uendret fart) Sum av disse effektene: Spiral (heliks)

AST1010 - Planetsystemet

Spinnproblemet (magnetisk bremsing) Spinn øker med masse, avstand og hastighet Magnetfeltet til Sola følger Solas rotasjon – ladde partikler MÅ følge feltet Lenger ute får disse partiklene da økt hastighet (lenger ute på ”hjulet”) - dvs. mer spinn enn før Spinnbevaring: Solens må rotere saktere (mindre spinn) for å veie opp for dette – derfor har Solen så lite spinn til tross for den store massen Et av de vanskeligste problemene en teori må forklare er, som nevnt, fordelingen av rotasjonsmengde i solsystemet, hvor rotasjonsmengden, spinnet, sitter i planetsystemet mens massen hovedsakelig finnes i sola. Moderne teorier har flere forklaringer på dette. Vi skal først se på den som kalles magnetisk bremsing. En annen god forklaring er at friksjon og inhomogeniteter i gasskiven, protoplanetskiven, gjør at spinn transporteres utover samtidig som massen går innover. Dette er like trolig som magnetisk bremsing, men kanskje virker flere mekanismer i ulike faser under dannelsen av et stjerne- og planetsystem.

Kondensering Snøgrensen

Innenfor: Mindre fast materiale Derfor mindre planeter innenfor

Kondensasjon og utfrysing Indre solsystem – bare tungt fordampelige grunnstoffer kondenserer; andre stoffer blåses av solvind ut i ytre del av skiven. Ytre solsystem – lett fordampelige stoffer kondenseres; danner tunge is- og stein- kjerner i ytre planeter.

Kondensasjon og utfrysing Viktig: Dette henger ikke direkte sammen med planeters atmosfærer Det handler om hvordan planeter begynner å dannes (om de kan få mye is i sitt indre eller ikke)

Oppsamling – den første fase fra støvkorn

Oppsamling

Sluttfasen i dannelsen av steinplaneter SIMULERING AV PLANETDANNELSEN Hele solsystemet dannes på 440 millioner år. De indre planetene er dannet etter ca 100 millioner år.

Dannelsen av en gasskjempe AST1010 - Planetsystemet

En filmsnutt som viser dannelsen av solsystemet i grove trekk https://www.stem.org.uk/elibrary/resource/26893/birth-of-the-solar-system

Vi har en konsistent teori … Teorien forklarer vesentlige trekk ved det observerte solsystemet: Hvorfor planetene alle ligger omtrent i samme plan og roterer samme vei rundt sola (skyens rotasjon). Fordeling av rotasjonsmengde (magnetisk bremsing) Fordeling av lett og tungt fordampelige grunnstoffer. Men hva med planeter rundt andre stjerner?

Planeter rundt andre stjerner Påvisning av skiver av gass hvor planeter blir dannet Hva har vi funnet pr. i dag? http://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/ Mange ligner ikke vårt planetsystem!

Beta Pictoris – (proto)planetskive AST1010 - Planetsystemet

Fem måter å finne planeter på Dopplermetoden - fra variasjon av stjernens hastighet langs synslinjen. Egenbevegelsen - fra variasjoner i stjernens posisjon. Formørkelser - intensitetsvariasjoner idet planeten passerer stjernen. ”Mikrolinsing” - lys fra en fjern bakgrunn bøyes litt av idet det passerer en masse. Og … ved direkte observasjon av planeten.

Dopplermetoden

Dopplermetoden

Observert Doppler-bevegelse AST1010 - Planetsystemet

Formørkelser Merk at planeten må gå i bane i et plan som ligger nær synslinja fra oss til stjerna.

Formørkelser (animasjon)

AST1010 - Planetsystemet

Masser og avstander for eksoplaneter Flest ”varm Jupiter”-planeter – hvorfor?

Store planeter nær stjernen er lettere å oppdage enn mindre/fjernere. Virker vanligere enn de egentlig er?

Problemer med teorien? Mange av planetsystemene observert til nå er helt forskjellige fra vårt. (Slike planetsystemer er enklere å oppdage enn de som ligner.) https://www.youtube.com/watch?v=EmsYCbYu-LA&t=0m09s

Problemer med teorien? Men vår teori for solsystemet krevde at store gassplaneter dannes langt borte fra en sol fordi: Temperaturene er for høye nær sola til å danne de store kjernene av is som må til for å samle gassen Det er rett og slett ikke nok materiale så langt inne i systemet til å få dannet kjernene

Problemer med teorien? Mulig forklaring: De massive planetene rundt andre stjerner er dannet langt ute men har vandret innover mot sin stjerne. Kan skje hvis gassen i planetskiva var tett.

Problemer med teorien? Nyere modeller peker i retning av at solsystemet opprinnelig hadde en femte gasskjempe, men at den ble sparket ut. Dette stabiliserte banen til Jupiter og hindret den i å bevege seg innover.