Солнечная системаИ ЗАКОНЫ КЕПЛЕРА

Размеры Солнечной системыБольшие планеты располагаютсяна расстояниях <30 а.е. от Солнца.

Однако гравитационное влияниеСолнца простирается гораздо дальше.

Структура Солнечной системы

• Планеты земной группы• Пояс астероидов• Планеты –гиганты• Пояс Койпера• Облако Оорта

Параметры планет

Планеты земной группы, газовые гиганты, ледяные гиганты,карликовые планеты (основной пояс астероидов и транснептуновые)

Спутники планет

• Регулярные• Иррегулярные• «Особые» (Луна)

Водяные фонтаны на Европе1

60

9.0

82

15

Еще в 2014 г. наблюдения на Хаббле позволилизаподозрить наличие водяных выбросов на Европе.Новые данные, также полученные на КТХ, дают новыеаргументы в пользу присутствия таких «фонтанов».

Данные получены во время прохождения Европы по диску Юпитера. Наблюдения велись в дальнем УФ.Результаты получены по поглощению излучения ввыбросах.

Фонтаны на Европе

Криовулканизм на Европе

1704.04283

Наблюдения на Хаббле в феврале 2016 г.Предыдущие – в марте 2014.

Спутник Макемаке1

60

4.0

74

61

Теперь все четыре занептуновые карликовые планеты имеют спутники.

Астероиды

1-2 млн объектовс размерами >1 км

Известно <1 млн

Диаметры <500 км

Суммарная массанесколько % отмассы Луны

Законы Кеплера

• Эллиптические орбиты• Закон площадей• Квадраты периодов vs.

Кубы полуосей

• Движение по эллипсам, в одном из фокусов – Солнце.• Закон площадей: движение быстрее в перигелии.• Квадраты периодов относятся как кубы больших полуосей.

Уточнение третьего закона Кеплера

Если не пренебрегаем массойболее легкого тела, то законслегка меняется.

Пример: слияние черных дырR=2.95 км (M/Msolar)Ω2=(2π/T)2=GM/a3, a=a1+a2, M=M1+M2

Частота излучения = 2/TДлина волны =cT/2

Оумуамуа – первый межзвездный

htt

p:/

/ww

w.s

kyan

dte

lesc

op

e.co

m

Межзвездная комета C/2019 Q4 (Borisov)

19

09

.05

85

1

Gemini North

Девятая планета

16

01

.05

43

8, 1

60

3.0

57

12

В течение нескольких летнакапливаются данные, которыесвидетельствуют в пользу того,что в Солнечной системеможет быть еще одна массивная планета.

В январе 2016 г. появилась работаБатыгина и Брауна, котораявывела обсуждение на новыйуровень.Начались активные поиски девятой планеты.

Орбиты далеких малых тел оказываютсяособым способом «выстроены». Чтобы объяснить это можно привлечьгипотезу о существовании планеты с массойв несколько земных и >10 раз дальше Плутона.

Кластеризация орбит под действием внешней планеты1

60

1.0

54

38

Орбиты нескольких тел, начиная с Седны,имеют сходные характеристики.

Вероятность случайного совпаденияпараметров орбит крайне мала.

Такие параметры нельзя получитьпод действием известных планет илипрохождений звезд вблизи Солнца.

Новые открытия1

60

8.0

87

72

В 2016 г. были сделаны новые открытия, подтверждающие модель с девятой планетой.

«Будем искать….»sk

yan

dte

lesc

op

e.co

m

Моделирование показывает, что сейчас «девятая планета» может находитьсявблизи афелия своей орбиты. Поэтому обнаружить ее нелегко.

Судьба рассеянных планет1410.2816

Авторы полагают, что даже в Солнечной системе может бытьсверхземля на расстоянии порядка 300 а.е.

Взаимодействие тел в протопланетном дискеможет приводить к выбрасыванию на далекиевнешние орбиты достаточно крупных тел.Орбиты самых массивных рассеянных телбыстро становятся круглыми. А вот легкиемогут оставаться на вытянутых орбитах.

New Horizonsw

ww

.nas

a.go

v

Первые подробные снимки поверхности Плутона и его спутников.

Подробные карты Плутона и Харона1

60

4.0

57

02 Плутон (вверху)

и Харон (слева)по даннымNew Horizons.

Удалось изучить разные типы участков поверхности.

В некоторых случаях разрешение было лучше чем 100 метров на пиксел.

Столь детальные снимки позволяют делать выводы об истории формирования различных структурна поверхности и об их составе.

Обнаружены сложные структуры, в том числе относительно молодые. Т.е., Плутон – не такой «мертвый» мир, как полагали ранее.

На Sputnik Planum нет кратеров, что говорит об очень молодом возрасте этой области (<10 млн лет).

Богатая география и геология1

60

4.0

57

02

Межпланетная среда и гелиосфера

Важным компонентом Солнечной системы является межпланетная среда.Во многом ее свойства определяются потоком вещества от Солнца.Но также важны пыль и галактические космические лучи.

Галактический спиралеворотНепрерывно идет процессобразования новых звезди планетных систем, а также выброса вещества вмежзвездную среду.

Первые звезды не моглииметь каменные планеты.

Со временем появилисьтяжелые элементы, и стало возможным создавать твердые планеты.

Наконец, появилась жизнь.

http://spaceref.com/onorbit/the-stuff-of-life-comes-from-space.html

Протопланетные дискиМы видим, как образуются планеты и звезды.В некоторых случаях удается даже рассмотретьструктуру протопланетных дисков.

Остаточные диски

Остаточные диски возникают уже после того, как протопланетный диск иссяк.Остаточные диски пополняютсявеществом благодаря столкновениюнебольших тел.

Упрощенная картина рожденияДолгое время мы представляли себе образованиепланетных систем в рамках достаточно упрощеннойкартины: а) возникает звезда и диск вокруг нееб) в диске начинается слипание пылевых частицв) постепенно из них образуются планетезималиг) крупные планетезимали растут, поглощая мелкиед) наконец, остаются крупные планеты.

Все планеты стоят примерно на своих местах:

• вблизи звезды – маленькие железно-каменные• далее – газовые гиганты• еще дальше – газово-ледяные гиганты

Эта картина усложнилась с открытием экзопланет. http://www.planet.sci.kobe-u.ac.jp/study/list/astrophysics/index_e.html

Снеговая линия

Вблизи звезды жарко, поэтому лед не может существовать. Там образуются каменные и железно-каменные тела.

В Солнечной системе снеговая линия соответствует примерно 5 а.е.

Однако, ледяные объекты после образования могут попасть ближе к звезде,а каменные могут быть выброшены во внешние области системы.

TW Гидры: наблюдения на ALMA

Замерзание СО

Наблюдали излучение ионов N2H+

Они обильны, только если СО вымерз.

1307.7439

От пылинок до километров

Пылинки сталкиваются и начинают слипаться. Так можно быстро создать частицы миллиметрового размера.… Дальше возникают проблемы …а) сантиметровые тела при столкновении

начинают разрушаться, а не растиб) из-за взаимодействия с газом такие частицы быстро

тормозятся и выпадают на звезду

Возможно, что или происходит быстрое формированиепланетезималей за счет гравитационных эффектов,или же – из-за аэродинамических.

От километров до ЗемлиТут все просто!

Столкновения происходят на такой скорости,что осколки войдут в состав крупного тела.

Так можно делать твердые планеты (ядра)массой до нескольких масс Земли.

Дальше, чтобы стать Юпитером, надо набирать газ.

http://phys.org/news/2010-12-earth-growth-spurt.html

Олигархический рост планетезималей1206.0738

Крупные планетезимали активно поглощают более мелкие.Это называется «олигархический рост», т.к. чем крупнее объект, тем быстрее он растет.Наконец, остается лишь несколько крупных тел, которые уже почти не мешают друг другу.

Эволюция орбит ледяных олигархов

1206.0738

Из-за взаимодействияменяется не толькомасса объектов, но иих местоположениев системе (т.е. орбита).

Выбросить проще легкиеобъекты, но потом ониеще могут нараститьсвою массу.

От Земли до Юпитера

Стать Юпитером легко, если быстро набрать 20 масс Земли.Но модели показывают, что сделать это совсем не просто!

Дело в том, что протопланетный диск постепенно теряет массу,поэтому время формирования планет ограничено.

Если тело будет просто своей гравитацией захватывать газ, то времени не хватит.

www.sos.siena.edu

Формирование Солнечной системы

Возраст 4.567 млрд лет.Формирование планет-гигантов – миллионы лет.

Формирование планет типа Земли –десятки миллионов.

«Поздняя тяжелая бомбардировка» –около 600 млн лет после формирования.

Calcium–aluminium-rich inclusion

Изотопный состав говорито том, что Солнцеформировалось взвездном скоплении.

Солнечная система: миграция планет1408.2787

Как мигрировали планеты в Солнечной?

Авторы использовали данные по астроидам,которые были вынуждены активноперемещаться из-за воздействия на нихбольших планет.Поэтому по распределению астероидовможно отследить историю миграции.

Планетная миграция полностью заканчивается менее чем за миллиард лет.Правда, астероиды продолжают менятьсвои орбиты, например, за счетэффекта Ярковского.

Историю миграции отчасти можно восстановитьпо свойствам орбит малых тел.

Поздняя тяжелая бомбардировка

Gomes et al. (2005) Naturehtt

p:/

/ww

w.b

ou

lder

.sw

ri.e

du

/~h

al/t

alks

/KB

/tn

o2

00

6/L

HB

.htm

l

Nice model и Grand TackНеустойчивости орбит планет ималых тел за счет миграции.

Резкая перестройка орбитмассивных тел может приводитьк неустойчивости орбит малых тел.

Эжекция Взаимодействие тел (планет, планетезималей) в дискедолжно приводить к тому, что значительная частьболее легких объектов (с размерами порядка километров)будет выбрасываться.

в пояс Койпераи облако Оорта

в облако Оортаи из Сол. Сист. В результате действия планет-гигантов

легкие объекты выбрасывались навысокие орбиты и даже совсем вмежзвездное пространство.

Также на этой стадиипроисходит т.н.поздняя тяжелаябомбардировка.

Пояс Койпера

На расстоянии 40-50 а.е.располагается большаягруппа тел, имеющихорбиты с низкимэксцетриситетом <0.2

Первый объект открытв 1992 г.

Суммарная массаоколо 0.001 земной.

КометыТипичные массы 1016-1018 г.В составе много летучихвеществ в виде льдов.

Ядро имеет размероколо неск. КмГолова – до млн,хвост – до сотни млн

Двойная комета Главного пояса

17

10

.03

45

4

Очень нетипичный двойной астероид.Значит, особый механизм формирования.

Возможно, активность астероидазапущена столкновением с теломразмером около метра.

Эволюция орбиты двойной может быть связана с истечением вещества.

288Р (300163)

Большой эксцентриситет двойной e>0.6Орбитальный период 100-175 дней.Расстояние между телами ~100 км.

Он же 288Р, он же 300163, он же 2006 VW139 , он же P/2006 VW139

wikipedia.org

Открыт Spacewatch в 2006 г.

Кометная активность открытав 2011 г. на Pan-STARRS.

Размеры компонент 1-2 км.

Последний кадр ROLIS

17

01

.00

68

5

После окончательного «упокоения» камера ROLIS на борту зонда Philaeсделала 5 снимков. Из них 4 – с подсветкой светодиодами.Наконец, через два земных дня на поверхности был сделан последний снимок.Его передача закончилась за секунды до исчерпаниязапасов батарей.

Облако Оорта

Современная масса облака Оортасоставляет примерно 1-10 масс Земли.Эти объекты родились гораздо ближе к Солнцу: на <(40-50) а.е.Они были выброшены оттудаблагодаря взаимодействию смассивными телами.

Эффект Ярковского При таком вращениигорячая часть будет разгонять объект.Т.е., орбита будетраскручивающейся спиралью.

При обратном вращениитело будет тормозитьсяи приближаться к звезде.

Эффект Лидова-Козаи

У орбиты могут одновременно меняться наклонение эксцентриситет.

Эффект был впервые описанМихаилом Лидовымдля спутниковв 1961 г., а затемв 1962 г. был описан Козаи дляастероидов.

Эффект связан с воздействием тела,находящегося на внешней орбите.

Структура планет

131

2.3

32

3

Мы недостаточно хорошо знаем даже Землю.Дальше идут тела Солнечной системы.А еще дальше – экзопланеты.

Даже изучая структурунашей планеты, мы не имеем прямых данных.

Земля издалека140

1.4

738

Если бы мы наблюдали Землю,как экзопланету, т.е. у нас были быданные только по ее массе ирадиусу, мы не смогли быничего сказать об:- атмосфере- гидросфере- коре

Важно, что все веществаведут себя по-разному,при сильно изменяющихсядавлении и температуре!

Структура планет

Легкие и тяжелые

1405.3

752

Планеты делятся на несколькогрупп по своему составу.

В планетах земного типа,астероидах и кометах относительно мало водородаи почти нет гелия.

В газовых гигантах они доминируют.

В составе Урана и Нептуна(ледяных гигантов) доминируютэлементы тяжелее гелия.

Структура гигантов

1405.3

752

По всей видимости все гигантыне имеют твердого ядра(исключением может быть Уран).

Элементы сегрегированы под действием гравитации.

В центрах массивных планет плотность и температура достигают больших значений.Это усложняет построениеточных моделей, т.к. неизвестноповедение вещества при таких условиях.

Температура и давление в атмосферах гигантов1405.3

752

Уравнение состояния водорода1405.3

752

Даже водород – самый простойэлемент таблицы Менделеева –имеет очень сложное поведениев разных условиях. Некоторые режимы изучены нами довольно плохо.

Смесь водорода и гелия1405.3

752

Уравнение состояния

Bouchet

et al. (

2013)

Merk

el (2

013

)В лабораторных экспериментахуравнение состояния изучают,сжимая вещество в алмазных ячейках.Но пока достичь высоких плотностей итемператур не получается.На помощь приходит моделирование.

Алмазные наковальни

Схема эксперимента

Как давить?

Как нагреть?

До 1300К

Выше 1300К

Приложение к недрам Земли

Масса-радиус для планет земного типа1401.4

738

Простая модель, в которойрассчитываются данные лишь по 8 элементам,дает хорошие результатыдля объектов Солнечной системы.