ASTROBIOLOGIA. Wykład 3

ASTROBIOLOGIA Wykład 3 1

JAK POWSTAJĄ GWIAZDY I UKŁADY PLANETARNE? 2

POWSTANIE GWIAZD I PLANET: SCHEMAT Układ planetarny: obłok molekularny mgławica słoneczna dysk protoplanetarny układ planetarny i planety (oraz inne obiekty w układzie planetarnym). Fazy powstawania układu planetarnego: 1. Faza opadania (spadku); 2. Dynamiczna ewolucja; 3. Faza oczyszczania 3

JAK POWSTAJĄ OBŁOKI MOLEKULARNE? Proces formowania obłoków molekularnych cykl: gaz i pył z ośrodka międzygwiazdowego gwiazdy ośrodek międzygwiazdowy. Materia międzygwiazdowa: głównie H, He; pochodzenie: WW, gwiazdy; gęstość: 1 atom wodoru/cm 3 MM: emisja energii, stygnięcie, dzielenie się na obłoki; emisja energii: IR; T ρ 1000 atomów/cm3 nieprzezroczysta dla UV, powstają molekuły i obłoki molekularne. 4

OBŁOKI MOLEKULARNE Parametry: Masy: od: 0.1 10 M ʘ do: ~10 5 10 6 M ʘ Temperatury: ~10 30 K Gęstości: od 100 do ~1000 cm -3 Skład: głównie H, He, molekuły, pył (1-2%); Molekuły: H 2, CO, CN, CS, SiO, OH, H 2 O, HCN, SO 2, H 2 S, NH 3, H 2 CO i inne (H+C+N+O); COM; Molekuły: ułamek masy obłoku. 5

OBŁOKI MOLEKULARNE JAK POWSTAJĄ MOLEKUŁY? 6

OBŁOKI MOLEKULARNE JAK POWSTAJĄ MOLEKUŁY? 7

OBŁOKI MOLEKULARNE PROTOGWIAZDA Faza pośrednia ciemne obłoki i gęste jądra: gęstość > 10 tyś. atomów H/cm 3, masy 100-100 tyś M ʘ Rozkład mas odpowiada rozkładowi mas gwiazd (obłoki są 3 x cięższe od gwiazd 1/3 materii przechodzi do gwiazdy, reszta rozpraszana). 8

OBŁOKI MOLEKULARNE: STABILNOŚĆ Stabilność obłoku: Ciśnienie gazowe (+ pole magnetyczne + ruchy turbulentne + rotacja) = grawitacja Uproszczenie: teoria wiriału: grawitacyjna energia potencjalna = 2 x energia kinetyczna E G = 2E K E G > 2E K kolaps Masa Jeansa: minimalna masa chmury: M J ~ T ρ M > M J 9

CO POWODUJE KOLAPS OBŁOKU MOLEKULARNEGO? Co może spowodować kolaps (wiele przyczyn): Przejście przez ramię spiralne Galaktyki; Zderzenia galaktyk; Wybuchy super(nowych) i fala uderzeniowa; Intensywne wiatry gwiazdowe; Powolne wypromieniowanie ciepła; ( ). 10

CO POWODUJE KOLAPS OBŁOKU MOLEKULARNEGO? Co może spowodować kolaps (wiele przyczyn): Przejście przez ramię spiralne Galaktyki; Zderzenia galaktyk; Wybuchy super(nowych) i fala uderzeniowa; Intensywne wiatry gwiazdowe; Powolne wypromieniowanie ciepła; ( ); Protogwiazda w początkowej fazie ewolucji Materia odrzucana wzdłuż osi obrotu Barnard 335 11

JAK POWSTAJĄCE GWIAZDY WPŁYWAJĄ NA SIEBIE I OTOCZENIE? Gwiazdy powstają w gromadach Oddziaływania między ciemnymi obłokami i gęstymi jądrami: Model 1: w obłoku wiele protogwiazd duże prędkości zbieranie materii: konkurencyjna akrecja; Model 2: turbulencja: wzmacnia kolaps (albo inicjuje), decyduje o masach i rozmiarach gwiazd. NGC2264, Choinka: Obserwacje: model 1 + model 2 12

OBSZARY POWSTAWANIA GWIAZD OBSERWACJE Wiek 10 7 : Kinematyczny wiek grupy gwiazd; Wiek gwiazd na H-R; Linia Li. Gwiazdy przed ciągiem głównym: Gwiazdy T-Tauri, Obiekty Herbiga-Haro, Gwiazdy FU Orionis. 13

OBSZARY POWSTAWANIA GWIAZD OBSERWACJE Wiek 10 7 : Kinematyczny wiek grupy gwiazd; Wiek gwiazd na H-R; Linia Li. Gwiazdy przed ciągiem głównym: Gwiazdy T-Tauri, Obiekty Herbiga-Haro, Gwiazdy FU Orionis. 14

OBSZARY POWSTAWANIA GWIAZD OBSERWACJE HH 46 47 15

JAK POWSTAJĄ GWIAZDY MASYWNE? Gwiazdy masywna: nieliczne, krótki czas życia; Ważna rola w ewolucji galaktyk: silne promieniowanie, wyrzuty materii energia do ISM; supernowe: pierwiastki ciężkie do ISM. Standardowa teoria: do 20 M sun ; ciśnienie promieniowania + wiatr gwiazdowy > akrecja i rozproszenie obłoku. Rozwiązanie: Modele akrecji materii na gwiazdę: strumienie, kolumny akrecyjne + ucieczka materii ciśnienie nieistotne; w opadającej materii inne gwiazdy. 16

DYSKI WOKÓŁGWIAZDOWE 17

ETAPY POWSTAWANIA UKŁADÓW PLANETARNYCH 1. KOLAPS OBŁOKU MOLEKULARNEGO 1. Kolaps obłoku międzygwiazdowego i powstanie gwiazdy: od 100 tyś. do kilku milionów lat; 2. Wokół młodych gwiazd gazowopyłowy dysk (skład: H i He); 3. Centrum dysku: gaz sublimuje (wysokie temperatury i gęstości); 4. Zewnętrzne warstwy: ziarna pyłu mogą przetrwać i się powiększyć (kondensacja gazu); 5. Dysk: 10 mln lat; rozproszony; 6. Planety powstają w dyskach wokółgwiazdowych (z porównania składu chemicznego). 18

DYSK WOKÓŁGWIAZDOWY FAZA OPADANIA Czas trwania fazy opadania: ~10 5 10 6 lat Gaz i pył z małym momentem pędu względem centrum opada na centrum, powstaje protogwiazda; Siła odśrodkowa: materia z dużym momentem pędu opada na protogwiazdę, ale nie może jej osiągnąć; Materia jest na orbicie wokół protogwiazdy i przemieszcza się na płaszczyznę równikową grzanie; dysk wokółgwiazdowy; Płaszczyzna równikowa ~prostopadła do osi rotacji centrum zapadającego się obłoku molekularnego; Kierunek momentu pędu centrum definiuje płaszczyznę dysku; wielkość momentu pędu wpływa na podział materii między protogwiazdę i jej dysk. 19

ETAPY POWSTAWANIA UKŁADÓW PLANETARNYCH 2. SORTOWANIE MATERIAŁU 1. Ziarna pyłu w dysku zlepiają się i rosną (unoszone przez gaz); pochłaniają światło, emitują w IR wewnętrzne obszary dysku są ogrzewane; 2. Orbitalna prędkość gazu < od prędkości z praw Keplera (bo ciśnienie i rotacja = grawitacja gwiazdy); różne prędkości ziaren; 20

ETAPY POWSTAWANIA UKŁADÓW PLANETARNYCH 2. SORTOWANIE MATERIAŁU 3. Linia śniegu: 2-4 AU od gwiazdy; ziarna ogrzewają się, tracą H 2 O i substancje o małej temperaturze sublimacji (lotne); w US między orbitami Marsa i Jowisza; 4. Podział: część wewnętrzna i zewnętrzna obiekty skaliste i lodowe; substancje lotne lub ich brak). 21

ETAPY POWSTAWANIA UKŁADÓW PLANETARNYCH 2. SORTOWANIE MATERIAŁU 5. Na linii śniegu: cząsteczki wody; 6. Efekty: skokowa zmiana własności gazu; P wew < P zew zwiększenie prędkości orbitalnej gazu gaz przyspiesza ziarna i nie opadają na gwiazdę linia śniegu zaspa (zgromadzona ziarna z zewnątrz). 22

ETAPY POWSTAWANIA UKŁADÓW PLANETARNYCH 2. SORTOWANIE MATERIAŁU 7. Zaspa: ziarna zderzają się i rosną; 8. Gdy przejdą przez linię śniegu: lód + związki organiczne (i rosną); rośnie grawitacja; 9. Powstają planetozymale (rozmiary: do kilku kilometrów); ten etap kończy się po kilku mln lat. 23

ETAPY POWSTAWANIA UKŁADÓW PLANETARNYCH 3. EMBRIONY PLANET 1. Czas: 1 10 mln lat; zderzenia planetozymali (i ich wzrost lub rozpad); ustalają się rozmiary i masy obiektów; 2. Orbity planetozymali: eliptyczne; zderzenia i opór gazu: orbity kołowe; 3. Wzrost masy grawitacja oligarchia planetarne embriony wychwytują pozostałe planetozymale; 24

ETAPY POWSTAWANIA UKŁADÓW PLANETARNYCH 3. EMBRIONY PLANET 4. Obszar i czas dominacji embrionu (pierścień) rośnie wraz z odległością od gwiazdy (od 100 tyś lat (0.1 masy Ziemi, 1AU) do kilku milionów lat (kilka mas Ziemi); większe w pobliżu linii śniegu); 5. Oligarchowie potencjalne planety; nadmiarowe planety: wyrzucane lub pochłaniane konfiguracja równowagowa. 25

ETAPY POWSTAWANIA UKŁADÓW PLANETARNYCH 4. POWSTANIE GAZOWYCH OLBRZYMÓW 1. Embrion przyciąga gaz opada i rozgrzewa się i emituje ciepło; mała wydajność promieniowania: mało atmosfery; 2. Ważne zewnętrzne warstwy atmosfery gradient temperatury (zależy od masy początkowej) i przezroczystość (zależy od składu chemicznego). 3. Modele: najlepsze warunki w pobliżu linii śniegu (duże embriony); możliwe inne położenia bardziej masywne dyski; 4. Problem: migracje. 26

MIGRACJE PLANET Migracja planet: wynik wymiany momentu pędu między dyskiem protoplanetarnym i planetami; Migracja typu 1: grawitacja embrionu powoduje falę, ona zaburza orbitę embrionu (traci moment pędu na rzecz cząstek dysku i przenosi się na niższą orbitę) Migracja typu 2: planety masywniejsze niż 10 mas Ziemi pochłaniają gaz i pył z otoczenia koniec migracji typu I. Gaz napływa, powodując dalszy wzrost i przesuwanie się planety. Ciśnienie i tarcie dążą do zamknięcia przerwy malenie energii orbitalnej. 27

MIGRACJE PLANET Migracja typu 3: na skutek oddziaływań z resztą układu planeta zostaje wyrzucona poza układ lub trafia na kurs kolizyjny z gwiazdą; Rozpraszanie planetozymali: pas Kuiper i Obłok Oorta działanie planet olbrzymów; Oddziaływanie grawitacyjne Urana i Neptuna powoduje duże ekscentryczności bliskich planetozymali; planety mogą być przerzucone na orbity kolejnych planet aż do Jowisza; Jowisz wyrzuca je poza Układ Słoneczny na orbity bliskie parabolicznym. 28

ETAPY POWSTAWANIA UKŁADÓW PLANETARNYCH 4. POWSTANIE GAZOWYCH OLBRZYMÓW 1. Procesy: wzrost embrionów, zanikanie dysku, migracje; 2. Wpływ: skład chemiczny dysku: H + He + pierwiastki ciężkie (Z) (obserwacje); 3. Większe Z większa gęstość dysku większe embriony; 4. Szybki wzrost: ~1000 lat ½ masy Jowisza; wystarczająco duża masa: planeta modyfikuje dysk: przerwa; 5. Graniczna (i końcowa) wartość masy zależy od czasu (i odległości). 29

ETAPY POWSTAWANIA UKŁADÓW PLANETARNYCH 5. GAZOWY OLBRZYM NA CIASNEJ ORBICIE 1. Obserwacje gorące Jowisze; czas 1 3 mln lat 2. Powstanie: Powstanie w pobliżu linii śniegu; dysk musi zawierać dużo pyłu i gazu; Migracja typu II Koniec migracji: oddziaływanie pola magnetycznego (usuwa gaz, bez gazu nie ma migracji) lub oddziaływania pływowe gwiazdaplaneta i stabilizacja orbity. 30

ETAPY POWSTAWANIA UKŁADÓW PLANETARNYCH 6. DRUGIE POKOLENIE OLBRZYMÓW 1. Czas trwania: 2 10 mln lat; 2. Pierwszy gazowy olbrzym ułatwia powstanie następnych; 3. Sposoby: Przerwa i dodatkowa linia śniegu; różnica ciśnień przyspieszenie gazu brak hamowania pyłu brak migracji; Grawitacja planety: planetozymale do zewnętrznej części; Ważne: czas, odległość (ilość planetozymali); Komplikacje: grawitacja planet i ich wzajemne odległości; grawitacja zmiana orbit na eliptyczne. 31

DYSKI OKOŁOGWIAZDOWE OBSERWACJE 32

ETAPY POWSTAWANIA UKŁADÓW PLANETARNYCH 7. PLANETY TYPU ZIEMSKIEGO 1. Czas 10 100 mln lat; prosty proces 2. Planety skaliste, budowa: materiały o wysokiej temperaturze sublimacji (Fe, Si) powstały wewnątrz linii śniegu; 3. Początkowa masa: 0.1 masy Ziemi, dalszy wzrost: zderzenia (orbity eliptyczne, po rozproszeniu dysku embriony destabilizują orbity); 33

ETAPY POWSTAWANIA UKŁADÓW PLANETARNYCH 7. PLANETY TYPU ZIEMSKIEGO 4. Ponowne ustabilizowanie orbit: wynik oddziaływania z planetozymalami? resztki gazu? 5. Lub: migracje pod wpływem grawitacji Jowisza dodatkowa materia (potwierdzenie: czasy powstania: pas planetoid: 4 mln lat, Mars: 10 mln lat, Ziemia: 50 mln lat); ale są planety typu ziemskiego w układach bez Jowisza; 6. 30 100 mln lat powstanie Księżyca (Wielkie Bombardowanie). 34

POWSTANIE KSIĘŻYCA ZIEMI Charakterystyka: Masa 1/80 M Z ; średnica: ¼ D Z ; gęstość Księżyca ~25% mniejsza niż gęstość Ziemi; jądro: 3% masy; izotop tlenu takie same proporcje jak dla Ziemi; Mała ilość pierwiastków lotnych (K połowa obfitości ziemskiej, H 2 O śladowe ilości); różnice w składzie chem. (np. Fe); Budowa Księżyca przypomina budowę skorupy Ziemi, z mniejszą obfitością elementów lotnych; Powstanie: zderzenie Ziemi z Theą (1/3 M Z ); zderzenie pod kątem; Thea jest niszczona, zostaje obłok dookoła Ziemi (Thea + część skorupy i płaszcza Ziemi); wynik: większe jądro Ziemi, większa masa Ziemi, księżyc (kolaps kilka lat); odległość ~24 tyś. km; obecnie ~385 tyś. km (ruch orbitalny i obrotowy + pływy + zasada zachowania momentu pędu). 35

ETAPY POWSTAWANIA UKŁADÓW PLANETARNYCH 8. WIELKIE SPRZĄTANIE 1. Czas: 50 mln 1 mld lat; 2. Rozproszenie gazowego dysku; rozpraszanie planetozymali przez gazowe olbrzymy; powstanie pasa Kuipera; obłoku Oorta; 3. Migracja planet. 36

MAŁE OBIEKTY W UKŁADZIE PLANETARNYM PAS KUIPERA I OBŁOK OORTA Powstanie: duża liczba małych planetozymali uformowanych pomiędzy ~3 30 AU została wyrzucona z Układu Słonecznego: perturbacje grawitacyjne planet olbrzymów. Masa: 10 1000 M Z 37

MAŁE OBIEKTY W UKŁADZIE PLANETARNYM PAS ASTEROID Obiekty: promienie >10km, całkowita masa <10-3 M Z Problemy: mało masy, brak planety, ekscentryczne orbity, duże nachylenie orbit, różnorodność, zróżnicowana budowa wewnętrzna; Bliskość Jowisza: wpływ na ubytek masy, własności orbit ekscentryczności i nachylenia; Przeniesienie na orbitę Jowisza, wyrzucone poza Układ Słoneczny, zaakreowane przez Jowisza. 38

KSIĘŻYCE PLANET OLBRZYMÓW Księżyce i pierścienie planet olbrzymów: analogi układów planetarnych: planety olbrzymy mają wiele satelitów, większość dużych obiektów ma ~kołowe orbity w płaszczyźnie równika, ruch prosty po orbicie; Małe satelity: blisko planety, pierścienie, duże satelity: odległości od kilku promieni planety; małe satelity na ekscentrycznych orbitach. Różnorodność: różne mechanizmy powstania. 39

KSIĘŻYCE PLANET OLBRZYMÓW Satelity regularne (mała ekscentryczność, ruch prosty, płaszczyzna równika, wewnątrz sfery Hilla); Powstanie: dysk okołoplanetarny, procesy akrecji w dysku gazowo-pyłowym otaczającym planetę. 40

KSIĘŻYCE PLANET OLBRZYMÓW Satelity nieregularne (duża ekscentryczność, duże nachylenie orbity; nieregularne kształty, duża odległość); powstanie: przechwycone z orbit heliocentrycznych. Przechwyt: oddziaływania pływowe i zderzenia z satelitami regularnymi (ekscentryczne orbity). Wyjątki: Tryton (ruch wsteczny, duże nachylenie, mała ekscentryczność; orbita kołowa: pływy, duża masa księżyca, bliskość Neptuna). 41

SATELITY MAŁYCH PLANET I PLANETEK Mars: Phobos i Deimos: budowa: asteroidy klasy C; orbity: w płaszczyźnie równikowej Marsa; powstanie: dysk wokół Marsa, w wyniku np. zderzeń planetozymali; zakłócenia pływowe planetozymali; lub przechwycone w całości a orbity ustabilizowane. 42

ATMOSFERY PLANET TYPU ZIEMSKIEGO Migracje planet migracja Saturna wielkie bombardowanie utrata pierwotnej atmosfery Ziemi; Atmosfera: ~1% masy planety; skład : Z 3 jeśli planetozymale są małe to ich energia kinetyczna przechodzi do atmosfery; większe planetozymale są spowalniane przez atmosferę i przesyłają energię kinetyczną do atmosfery. jeśli obiekt jest duży, energia może być wystarczająco duża by część atmosfery została wyrzucona (ucieczka hydrodynamiczna). 43

POZASŁONECZNE UKŁADY PLANETARNE 44

POZASŁONECZNE UKŁADY PLANETARNE http://www.nytimes.com/interactive/science/space/keplers-tally-of-planets.html?_r=0 http://en.wikipedia.org/wiki/list_of_multiplanetary_systems http://kepler.nasa.gov/ http://www.openexoplanetcatalogue.com/systems.html Potwierdzone planety: ~1000, kandydatki: ~4200; ~500 układów planetarnych; 47

KONIEC 52