Astrofizyka1 fizyka układu słonecznego

Transkrypt

1 Krzysztof Gęsicki Astrofizyka1 fizyka układu słonecznego Wykładkursowydla2r.studiówAS1 wykład 3: o lodowatych kometach i planetoidach, obłokuoortaiopasiekuipera

2 małe ciała Układu Słonecznego chociaż stanowią znikomą część masy całego układu zawierają nieproporcjonalnie wiele informacji istotnych dla nauki uniknęły one obróbki cieplnej po czasie ich powstania liczne są dokładne wyznaczenia orbit pozwalające na badanie procesów w dysku protoplanetarnym rysunki pokazują przykłady obiektów dwie komety z rodziny jowiszowej mają bardzo różne powierzchnie bardzo różne są księżyce Saturna

3 lodowe jądro komety 81P/Wild 2 ma bardzo małe albedo kometa P/Tempel 1 ma bardzo gładką powierzchnię

4 skalisty Phoebe został przechwycony z pasa Kuipera porowaty Hyperion powstał w dysku akrecyjnym Saturna

5 komety podstawowy podział: długookresowe pochodzą z obłoku Oorta, niemal izotropowy rozkład orbityookresachponad200lat krótkookresowe rozkład bliski ekliptyki powstały w pasie Kuipera i rozproszonym dysku okresy orbitalne poniżej 200 lat rodzina Jowisza? wyróżnione całkiem niedawno bardzo krótkie okresy 3 20 lat

6 skład chemiczny komet sonda Deep Impact wybiła w komecie Tempel krater do głębokości ok. 20m wykazała że skład chemiczny wyrzuconej materii jest zgodny z tym wcześniej odparowanym z powierzchni do komy sugeruje to że widmowa analiza komy jest wystarczająca do dyskusji budowy całej komety składowa lotna komety to głównie woda zdodatkiem(dook.20%)kilkuinnychmolekułjakch 3 OH,CO 2,CO stosunek lodów do skał znany jest kiepsko, szacowany jest od kilku części dziesiątych do kilku

7 rozmiary komet dzisiaj możemy je mierzyć bezpośrednio ale nie jest to rozmiar pierwotny komet komety tracą masę przy każdym przejściu przez peryhelium

8

9 jestprawdopodobneżerozkładmaskometzobłokuoortajestinnyodtychz pasa Kuipera choć narazie trudno to wykazać obserwacyjnie ze względu na mało liczną próbkę danych komety potrafią rozpadać się samoistnie jądra komet wykazują strukturę warstwową

10 masę komety możemy dedukować z oddziaływań niegrawitacyjnych w czasie przejścia przez peryhelium takie oddziaływania można modelować mając do dyspozycji pomiary z trzech okresów orbitalnych mając masę i objętość wyznaczamy gęstość

11 narastanie ziaren w dysku protoplanetarnym było obszernie badane jednym z kluczowych zagadnień jest mieszanie materii w kierunku radialnym od Słońca, najprawdpodobniej w formie radialnego mieszania ciał makroskopowych krytaliczne krzemiany obecne w wielu kometach musiały powstać w wewnętrznym układzie słonecznym i przemieścić się na zewnątrz do rejonu tworzenia komet proces agregacji był nasilony dzięki radialnej migracji komety powstawały z rozmaitych kometezymali

12 od niedawna sugeruje się, że kometezymale są bardzo delikatne mniejsze z nich akreując na większe nie zagłębiają się, ale rozpłaszczają się na powierzchni

13 nadal nie rozumiemy: jak kometezymale łączą się jak jądra bronią się przed rozpadem przy zderzeniu czy komety pasa Kuipera pochodzą z rozpadu dużego obiektu TNO, czy raczej były dość wcześnie wyrzucone do dysku rozproszonego atamczęśćznichurosładoróżnychtno a część rozproszyła się bliżej Słońca na te pytania próbujemy znaleźć odpowiedzi wysyłając misje kosmiczne

14 sonda Rosetta swą misję wokół komety 67P/Churyumov-Gerasimenko zakończyła

15 dwie hipotezy konkurują: komety powstały z pierwotnej materii komety są młodszymi fragmentami wytworzonymi przy zderzeniach starszych ciał rodzicielskich

16 Rosetta wykazała: obie części komety 67P C-G mają: niską gęstość dużą porowatość warstwową strukturę przed złączeniem przez dłuższy czas akumulowały materię niezwykle wysoka porowatość wnętrza jądra świadczy o tym że wzrost nie zachodził przez gwałtowne zderzenia które z pewnością zbiłyby i zagęściły materiał obie części(głowa i tułów) mają podobne uwarstwienie musiały mieć podobną historię ich złączenie musiało zajść przy małych prędkościach

17 sklejanie musiało zachodzić także w mniejszych skalach trzy sferyczne wypukłości mogą być pozostałościami mniejszych kometezymali w jeszcze mniejszej(metrowej) skali obserwujemy gęsią skórkę analiza widmowa wykazała że powierzchnia mało(lub wcale) nie oddziaływała z płynną wodą wnętrzezawierawielebardzolotnychgazówjakco,o,n,ar których lody musiały akumulować powoli przez dłuższy czas kometa 67P musiała powstać w ekstremalnie zimnych warunkach i nie doznała znaczącego podgrzania przez większość życia

18

19 większe obiekty TNO wydają się być podgrzane rozpadem radioaktywnym a komety nie wykazują podobnych oznak sugeruje się że populacja dużych TNO powstała gwałtownie narastając do rozmiarów do 400 kilometrów w ciągu pierwszego miliona lat mgławicy słonecznej po3mlnlatgazzniknąłzmgławicy a masywne TNO akreowały pozostały materiał komety powstawały inaczej: po utworzeniu TNO pozostały ziarenka i okruszki w dalekich zimnych rejonach mgławicy zaczynały się zbliżać i zlepiać małe prędkości doprowadziły do znacznej porowatości materiału

20 25 mln lat później masywne TNO zaburzały ruch komet kolejny materiał akreował z większymi prędkościami tworząc zewnętrzne skorupy komet a kilkukilometrowe ciała delikatnie zderzając się tworzyły dwuskładnikowe komety wydaje się że komety nie wykazują cech kupek gruzu oczekiwanych podczas zderzeń dużych obiektów raczej narastały łagodnie w cieniu TNO

21 obliczano orbitę komety 67P C-G od teraz wstecz rezultaty nie są bardzo precyzyjne z powodu zaburzania przez Jowisza tym niemniej można prześledzić drogę od orbity dzisiejszej wstecz do pku wydajesiężedownętrzaukładusłonecznego67pdotarłaok.10tyslattemu czyli 67P należy do tzw grupy komet rodziny Jowisza kierowanych grawitacją Jowisza w pobliże Słońca na krótkookresowe orbity 3 20 lat rysunek pokazuje orbitę 67P w odległej przeszłości

22

23 planetoidy- asteroidy- planetki

24 największe grupy asteroid to: pas główny asteroid j.a. oraz Trojanie na orbicie Jowisza

25 w pasie głównym największa jest Ceres(959 km) 3względemwielkościWesta(530km)jużjestzbytmałomasywnabybyćokrągłą znamy obecnie asteroid pasa głównego wszystkie zebrane razem utworzyłyby obiekt o średnicy 1500 km

26 najprawdopodobniej to Jowisz swoją grawitacją nie pozwolił kawałkom asteroid połączyć się w większą planetę rezonanse wewnątrz orbity Jowisza są niestabilne po upływie czasu opustoszały przerwy Kirkwooda

27 w odległości ok. 3.5 j.a. występuje tzw. linia lodu asteroidy powstały wewnątrz tej linii zbudowane ze skał komety powstały na zewnątrz mieszanka lodów i skał

28 asteroidy nie mają takiej samej budowy nie bardzo wiadomo dlaczego

29 możemy podzielić je na grupy według podobieństwa elementów orbitalnych taka rodzina pochodzi z rozpadu większego obiektu

30 porównując widma asteroid z materiałem meteorytów możemy identyfikować pochodzenie niektórych z nich przypuszcza się że tzw. meteoryty HED pochodzą z Westy ich źródłem może być olbrzymi krater

31 Westa rezultaty misji DAWN News Release: Westa jest bardziej podobna do małej planety, czy do ziemskiego Księżyca, niż do innych asteroid obecnie uważa się że Westa jest blokiem budulcowym planet, o żelaznym jądrze i warstwowej strukturze jedynym znanym, który przetrwał z początkowego okresu układu słonecznego złożoną budowę geologiczną przypisujemy procesowi geologicznemu, który około 4.56 miliarda lat temu rozwarstwił asteroidę na skorupę, płaszcz i żelazowe jądro przy promieniu ok. 110 kilometrów planety typu ziemskiego oraz Księżyc powstały w podobny sposób

32 sonda Dawn obserwowała rozkład minerałów uwidoczniony dzięki popękaniom skorupy spowodowanym uderzeniami meteorytów, rozkład ten potwierdza hipotezę, że asteroida pokryta była kiedyś podpowierzchniowym oceanem magmy ocean magmy powstaje kiedy obiekt przechodzi niemal całkowite stopienie, co skutkuje następnie warstwowymi strukturami bloków budulcowych mogących następnie formować planety takie obiekty z oceanami magmowymi zakończyły swój żywot wchodząc w skład Ziemi i innych planet

33 Meteoryty pochodzące z Westy zebrane dane potwierdzają wcześniejsze hipotezy, że pewna grupa meteorytów znalezionych na Ziemi pochodzi właśnie z Westy charakterystyki znalezionych w tych metaorytach pyroxenów oraz innych minerałów bogatych w żelazo i magnez dokładnie odpowiadają tym znalezionym w skałach na powierzchni Westy takie obiekty to około 6% wszystkich meteorytów spadłych na Ziemię Westa jest jednym z największych pojedynczych źródeł meteorytów poza tym pierwszy raz mieliśmy do czynienia z sondą kosmiczną badającą samo źródło próbek które były wcześniej zidentyfikowane na Ziemi

34 wiemy że topografia Westy jest całkiem stroma i zróżnicowana niektóre kratery mają bardzo strome zbocza z niemal pionowymi ścianami i z osuwiskami występującymi częściej niż się spodziewano zespół sondy Dawn potrafił datować dwa wielkie uderzenia które trafiły w południową półkulę Westy utworzyłyonebasenveneiaprzedokoło2mldlat a basen Rheasilvia ok miliard lat temu Rheasilvia jest największym basenem uderzeniowym na Weście rozległe baseny uderzeniowe na Księżycu są całkiem stare fakżenaweściesątakmłodebyłniespodzianką

35 asteroida Itokawa budowa wnętrza ta przybliżająca się(tzw. NEA Near Earth Asteroid) do Ziemi asteroida była obserwowana z bliska przez sondę Hayabusa w roku 2005, otrzymano bardzo szczegółowy model jej kształtu i topografii powierzchniowej (fotografię widzieliśmy wcześniej) praca Lowry et al., 2014, A&A 562, 48 opisuje najnowsze wyniki analiz w latach 2001 do 2013 obserwowano rotacyjne zmiany blasku obejmujące pięć ostatnich zbliżeń do Ziemi wyznaczonoprzyspieszanierotacjidω/dt=(3.54±0.38) 10 8 radday 2 któreodpowiadaskracaniuokresurotacjio 45msyear 1

36 analizowano następnie czy zmiany rotacji mogą być wyjaśniane efektem YORP ( Yarkovsky-O Keefe-Radzievskii-Paddack) efekt ten jest powodowany anizotropową emisją termiczną i anizotropowym rozpraszaniem promieniowania słonecznego dzięki dokładnej znajomości kształtu asteroida Itokawa jest doskonałym obiektem do tego typu badań otrzymano, że aby pogodzić obserwowany efekt z modelowanym teoretycznie trzeba środek masy asteroidy przesunąć o ok. 21 m wzdłuż osi głównej można to wyjaśnić przy założeniu że Itokawa składa się z dwóch oddzielnych ciał o róznych gęstościach oznacza to że Itokawa jest zlepkiem powstałym albo w rezultacie katastroficznego rozpadu większego obiektu, albo z kolapsu układu podwójnego

37

38 wgląd w strukturę wewnętrzną uzyskaliśmy dzięki obserwacjom fotometrycznym z Ziemi zamiast wysyłania specjalizowanej sondy kosmicznej

39 Pas Kuipera i Obłok Oorta

40 obłok Oorta podstawowym dowodem istnienia obłoku Oorta jest rozkład energii wiązania komet długookresowych energie te są proporcjonalne do odwrotności półosi wielkich szerokość maksimum jest znacznie mniejsza od spodziewanej poszerzonej w wyniku rozproszeń i zaburzeń czyli komety z maksimum nie przechodziły wcześniej wielokrotnie przezukładsłoneczny,awieleznichjesttuporazpierwszy

41 sferyczny kształt obłoku Oorta wynika z izotropowego rozkładu kierunków komet długookresowych komety z 1/a < 0 to perturbacyjnie rozproszone na otwarte orbity rozmiaryooood50000do100000j.azbrakiemostrejgranicy ilośćkometoooszacujesięod10 11 do10 12 łącznamasaooood0.1do1masyziemi ulokowanie komety w ooo wymaga wąskiego zakresu prędkości wyrzutu: za szybko wyrzucone odlecą na zawsze w przestrzeń międzygwiazdową wyrzuconezawolno opadnązpowrotemnadysk

42 są sugestie istnienia tzw. wewnętrznego ooo(ioc) zodległościamiok.5000anie50000j.a. może nawet Sedna jest ciałem IOC? do dziś nie jesteśmy pewni czy IOC istnieje obiekty tego rejonu są trudne do obserwacji aktualne ograniczenia obserwacyjne nie wykluczają istnienia wdużejilościioznacznejłącznejmasie aletonieznaczyżeonetamsą

43 Pas Kuipera i Pluton doroku1930znaliśmy8planet, po2008też Percival Lowell na podstawie anomalii ruchu Urana przewidział 9-tą Clyde Tombaugh znalazł Plutona w 1930 teraz to my już wiemy, że wspomniane anomalie były będami obserwacyjnymi, a przewidywania Lowella bezpodstawne cowięcejmasaplutonajestzamała by w sposób mierzalny zakłócić ruch Urana czy Neptuna ale etykietka planety do Plutona przylgnęła

44 miejsce Plutona w układzie słonecznym stało się jasne w latach 1990-tych kiedy zaczęto odkrywać obiekty transneptunowe

45 utrata masy przez Plutona początkowo oczywiście szacowano masę Plutona na podstawie anomalii ruchu Urana i Neptuna w 1950 masa Plutona porównywalna była do masy Ziemi w1971obliczeniaobniżyłyjejwartośćdomasymarsa ok.10%masyziemi w 1976, obliczono albedo Plutona, stwierdzono że odpowiada ono lodowi metanowemu,cooznaczażeplutonpowinienbyćbardzojasnyazatemniemożebyć bardziej masywny niż 1% masy Ziemi w 1978 odkryto księżyc Charon, z jego ruchu na orbicie wyznaczono masę Plutona na mniejszą od 0.24% masy Ziemi

46 rodzaje KBO znamy ponad 1000 KBO Kuiper Belt objects, o rozmiarach od kilkudziesięciu kilometrów do kilku tysięcy definiuje je półoś główna większa od orbity Neptuna 30 j.a., ale większość ma także perihelium poza 30 j.a.

47

48

49

50 rodzaje KBO obiekty rezonansowe w ruchu rezonansowym z Neptunem np.pluton(iwieleinnych)wrezonansie3:2naorbicie39.5j.a. Pluton-peryhelium29.7j.a.-zpowodurezonansuniezderzysięzNeptunem rezonans 3:2 jest najgęściej obsadzony przez tzw. plutina klasyczny pas Kuipera pomiędzy rezonansami 3:2 na 39.5j.a. a 2:1 na 48j.a. dwiepopulacje:onachyleniuorbitymałym(<4 o )lubdużym obiekty rozproszone peryhelia j.a. oraz duże ekscentryczności i nachylenia obiekty oddzielne 2obiekty:2000CR 105 isedna;mająperyheliapozazasięgiemneptuna mówimy o rozległym rozproszonym dysku

51 PlutoniinnedużeKBO

52 można badać widmo światła odbitego widoczny jest głównie metan

53 można badać emisję w podczerwieni

54 można poszukiwać satelitów znamy już kilkanaście

55 struktura pasa Kuipera dawne modele przewidywały skromny zakres nachyleń orbit obserwowany zakres jest znacznie szerszy i bimodalny co pewnie świadczy o złożonej budowie pasa

56 oszacowana masa całego pasa Kuipera: masy Ziemi są poważne sugestie, że jest to tylko mała część początkowej masy obecny pku jest pozostałością sto do tysiąca razy większego początkowego pierścienia nie wiemy gdzie zniknęła reszta być może rozkruszyła się przy zderzeniach ale być może źle oceniamy utratę masy może KBO powstały w gęstszym środowisku i wyemigrowały na zewnątrz

57 dyspersja prędkości to ok. 1 2 km/s jest porównywalna z prędkością ucieczki z najmasywniejszych obiektów w tych warunkach zderzenia są raczej niszczące niż kumulujące pk stopniowo eroduje masensmówienieopkujakoo dysku rumowiskowym(debris disk) naszego Słońca dysku, z którego wytwarzany jest pył

58 obiekty spokrewnione z KBO centaury mają peryhelia i półosie główne między orbitami Jowisza i Neptuna znamyok.50,niektóresąkometami,innenapewnonie najprawdopodobniej uciekły z rozproszonego dysku pasa Kuipera nieregularne księżyce planet olbrzymich komety

59 czego nie widzimy? międzypku(ok.50j.a.)aooo(50000j.a.)wszystkiemogłybysięschować detekcja optyczna jest bardziej czułą metodą niż zaburzenia grawitacyjne

60 poszukiwania planety X w 2015 pokazywałem artykuł

61 w styczniu 2016 w Nature ukazała się notatka astronomerssaythattheyhavethebestevidenceyetforaplanetnine. Orbital calculations suggest that Planet Nine, if it exists, isabouttentimesthemassofearth and swings an elliptical path around the Sun once every 10,000 20,000 years. It would never get closer than about 200 times the Earth Sun distance, or 200 astronomical units(au). ThatrangewouldputitfarbeyondPluto, intherealmoficybodiesknownasthekuiperbelt.

62

63 NoonehasseenPlanetNine, but researchers have inferred its existence from the way several other Kuiper belt objects(kbos) move. And given the history of speculation about distant planets, PlanetNinemayendupinthedustbinofgoodideasgonewrong.

64 literatura Michael F. A Hearn Comets as Building Blocks, ARA&A, 49, 281(2011) jestciekawastronanasaomisjidawndoplanetoidwestyiceres można sprawdzić, gdzie sonda jest obecnie można oglądać zdjęcia, animacje, materiały naukowe i dydaktyczne, itp

65 zagadnienia wymagane na egzaminie komety- podstawowy podział komety- rozmiary, ogólna budowa asteroidy-pasgłównyorazinnegrupy asteroidy- skomplikowana budowa, przykłady Westy i Itokawa pas Kuipera i obłok Oorta rozmiary, składniki