asteroizi, comete, meteori. formarea sistemului solar · imagine de înaltă rezoluție a...

Asteroizi, Comete, Meteori. Formarea Sistemului Solar

Marcel [email protected]

27-01-2016

Traiectoria sondei spatiale New Horizons. Sursa: http://pluto.jhuapl.edu/Mission/Where-is-New-Horizons/

Imagine de înaltă rezoluție a planetoidului Pluto, obținută cu ajutorul camerei MVIC. Imaginea este compusă din trei imagini obținute în infraroșu, roșu și albastru. Sursa: NASA / JHUAPL /

SwRI (via http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/)

http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/



Pluto și Charon. Imagine obținută cu ajutorul camerei MVIC de către sonda New Horizons. Sursa: NASA / JHUAPL / SwRI.

Planetologie (știința planetelor)

Știință fundamentală: înțelegerea

formarii și evoluției Sistemului Solar (a

sistemelor planetare);

Știința practică: explorarea sistemului

solar; protecția civilizației fata de

hazardul cosmic; Imagine artistică - Hayabusa la suprafața asteroidului Itokawa. Credit: JAXA

Orbite – legile lui Kepler

1. Orbita unei planete este o elipsa

cu Soarele intr-unul dintre focare;

2. Linia imaginara care unește

Soarele cu planeta “matura” arii

egale in intervale de timp egale

3. Pătratul perioadei de revoluție a

planetei împărțit la cubul semiaxei

mari este constant pentru toate

planetele

1 ua (au) -> o unitate astronomică (~distanța Pământ - Soare) = 149 597 8707 00 metri (~ 150 milioane kilometri)

Descoperirea asteroizilor - Ceres

1 ian 1801 – Giussepe Piazzi descoperă un obiect cu aspect stelar;

pe baza observațiilor Gauss îi calculează traiectoria;

31 dec 1801 – Wilhem Olbers îl regăsește: Ceres;

semiaxa mare a orbitei lui Ceres este 2.77 → obiectul căutat?

Jupiter

Ceres

Marte

Descoperirea Asteroizilor

28 mar 1802 – Wilhem Olbers îl descoperă peasteroidul (2) Pallas

1 sept 1804 – Wilhem Olbers îl descoperă peasteroidul (3) Juno

29 mar 1807 – Wilhem Olbers îl descoperă peasteroidul (4) Vesta

8 dec 1845 – Karl Luwig Hencke îl descoperă pe (5)Astraea

1 iul 1847 – Karl Luwig Hencke îl descoperă pe (6)Hebe

la sfârșitul anului 1850 erau cunoscuți 13 asteroizi

Descoperirea Asteroizilor

Orbitele asteroizilor descoperiți între 1800 și 1807 (primii 4 asteroizi).

Descoperirea asteroizilor –metoda fotografică

În 1891 Max Wolf introduce o nouă metodă de descoperire a asteroizilor – metoda

fotografică;

Această metoda constă în obținerea de imagini consecutive (la un anumit interval de timp)

și suprapunerea acestora conform poziției stelelor. Prin derularea acestora se pot observa

obiectele care își schimbă poziția în raport cu stelele care rămân fixe

Astronomii amatori pot contribui!

Astrometrica: permite măsurarea poziției unui asteroid în raport cu cataloagele de stele pe baza imaginilor obținute. Vezi: http://www.astrometrica.at/

http://www.astrometrica.at/

Data-mining pentru descoperirea asteroizilor

Imaginile obținute de telescoapele mari din întreaga lume pot fi accesate;

Pe aceste imagini se pot căuta asteroizi, se pot descoperi noi asteroizi sau se poate îmbunătăți precizia orbitelor asteroizilor existenți;

Proiectul EURONEAR;

Calcul de orbită

Rata descoperirilor in ultimii 20 de ani Vezi video:

https://www.youtube.com/watch?v=2k2vkLEE4ko

Denumirea unui asteroid Denumire temporara: 2015 LT24; Pot avea mai multe desemnări provizorii

(Ex: 1931 PB,1937 RU,1942 PE,1948 RO1,1952 FE,1954 UE2,1954 WH,1956 AO,1970 SH1,1973 AE4,1973 EF,1976

UM3,1981 QB1);

Număr (Pentru ca un asteroid să primească un număr, este nevoie să fie

observat timp de trei opoziții): 1, 7986, 22281,444123 – (3 opoziții)

Nume: Ceres, Sagan, Asimov, Binzel, Romania, Eminescu

2015 LT24

Anul descoperirii

Jumătatea de lună în care a fost descoperit Ordinea

descoperirii

Planete – asteroizi – comete - praf O planetă: a) se rotește în jurul Soarelui; b) are forma

rotundă; c) și-a eliberat vecinătatea de obiecte similare;

O planeta pitica: a) se rotește în jurul Soarelui; b) Are forma rotundă;

Corpuri mici din Sistemul Solar: asteroizi, comete meteori;

Baza de date a corpurilor mici din Sistemul Solar

Minor Planet Center: http://www.minorplanetcenter.net/

Planetele mici se pot clasifica conform orbitei

acestora:

Obiecte din apropierea orbitei Pământului

(NEO);

Obiecte din centura prinicipala (MBO);

Obiecte de tip Trojan 6279 obiecte, 1 pentru

Pământ, 4 pentru Marte, 6261 pentru Jupiter,

1 pentru Uranus și 12 pentru Neptun;

Obiecte de tip Centaur și SDO (486);

Obiecte din centura lui Kuiper (1454);

http://www.minorplanetcenter.net/

Partea interioară a Sistemului Solar

Distribuția orbitelor asteroizilor în Sistemului Solar (semiaxa mare <5ua)

Distribuția asteroizilor pe graficul semi-axa mare vsînclinație (sus) și semi-axa mare vsexcentricitate. Rezonanțele cu Jupiter suntreprezentate.

Asteroizii din apropierea orbitei Terestre -N(ear) E(arth) A(steroids) Asteroizi care prin diferite mecanisme ajung

pe orbite apropiate orbitei terestre; Se pot

clasifica în funcție de tipul orbitei după cel mai

reprezentativ obiect;

Asteroizi de tip PHA (Potentially Hazardous

Asteroids) – asteroizi mai mari de 200 m care

pot devin potențiali periculoși

Asteroizi de tip VI (Impactor virtual). Asteroizi

care au probabilitate nenula de a intersecta

Pământul

Lista apropierilor asteroizilor PHA de Pământ

40 000 km

Sursa: Minor Planet Center

Familii de asteroizi în centura principală

- Grup de asteroizi cu

elemente orbitale

asemănătoare;

Majoritatea obiectelor

dintr-o familie de asteroizi

au origine comuna;

Pot fi identificate in

grafice de tipul semiaxa

mare vs excentricitate

sau semiaxa mare versus

înclinație (vezi grafic

alăturat);

Sursa: AstDys - http://hamilton.dm.unipi.it/astdys/index.php?pc=4

Asteroidul Vesta.Craterul Rheasilviahttp://dawn.jpl.nasa.gov/multimedia/full_view_vesta.asp

http://dawn.jpl.nasa.gov/multimedia/full_view_vesta.asp

http://dawn.jpl.nasa.gov/multimedia/full_view_vesta.asp

Centaurus

- Obiecte care orbitează intre orbita lui Neptun și Jupiter, pe orbite excentrice;

Obiecte Transneptuniene - cele mai indepartate obiecte cunoscute O buna parte din

obiectele mici dinSistemul Solar auorbita dincolo deorbita lui Neptun;

Obiectele din centuraKuiper se împart îndouă categorii:

KBO (obiecte dincentura Kuiper

SDO (obiecte peorbite excentrice –scatter diskobjects)

Cele mai mari obiecte trans-Neptuniene. Sursa: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/91/EightTNOs.png

Sedna – cel mai îndepărtat obiect

Proprietățile fizice ale corpurilor mici din Sistemul Solar

Forma, Dimensiunea

Masa, Volumul, Densitatea

Porozitatea

Compoziția

Vârsta Observații folosind telescoape

de la sol;

Observații folosind telescoape din spațiu;

Misiuni spațiale

Forma, Dimensiunea H – magnitudine absoluta: se poate

determina cunoscand orbitaasteroidului si magnitudinea aparenta

pv – albedo (fractiunea de luminareflectata din lumina primita): estedeterminat de compozitia asteroidului

253 Mathilde, Albedo: 0.04 433 Eros, Albedo 0.25

Curbe de lumina

Perioada de rotație

Axa de rotație

Forma obiectului

Sursa: Șonka, A; Popescu, M; Nedelcu, D.A.; Minor Planet Buletin 01/2016

Ecoul - Radar

(8567) 1996 HW1

Imaginile radar prezentate în aceste slide-uri au fost obținute de programul NASA: http://echo.jpl.nasa.gov/

Ecoul - Radar

2015 HM10

2014 HQ124

2004 BL86

Compoziția → semnătura spectrala

Fiecare element care intră în compoziția unui asteroid are o semnătură spectrală unicăSpectrul unui asteroid este un spectru de refelxieDeterminarea compoziție suprafeței unui asteroid se poate face pe baza spectrului acestui La suprafața unui asteroid putem găsi: metal (Fe, Ni), silicați (olivină, pyroxen), incluziuni de calciu, compozitie pe baza de carbon.

Variația compoziției în Sistemul Solar

Sursa: F. DeMeo – Teză doctorat

Misiuni spatiale catre asteroizi

http://www.planetary.org/multimedia/space-images/small-bodies/asteroids-and-comets-color-2014.html

(951) Gaspra, asteroid de tip S vizitat de sonda Galileo18.2x10.5x8.9 km

243 Ida și Dactil, vizitat de sonda Galileo53.6 x 24.0 x 15.2 km și 1.6 x 1.4 km

433 Eros, 200034,4×11,2×11,2 km

25143 Itokawa, 2005535 x 294 x 209 m

25143 Itokawa, 2005535 × 294 × 209 m

21 Lutetia, 2010121 x 101 x 75 km

4179 Toutais, flyby Chang'e 24,5 x 2,4 x 1,9 km

Notă: Imaginile prezentate în paginile din capitolul Misiuni Spațiale aparțin:

http://neo.jpl.nasa.gov/images/

Cometele

Cometa Hale-Bopp: 29 Martie 1997. Credit: http://salzgeber.at/astro/pics/9703293.html

Cometa Hyakutake, 28 Martie 1996 Credit: http://www.capella-observatory.com/

Cometa din 1066

Sursa: Internet

Cometa din 1577

Sursa: Internet

Structura cometelor

Corpuri mici din Sistemul Solar aflate pe orbite extrem de exentrice

Sunt formate dintr-un nucleu, o coama și cozi;

Coada formată din particule încărcate electric

Coada formată din praf și gaz

Sursa: Theo Koupelis – The Univers

Coada cometei formată din ioni este pe direcția opusă soarelui

Coada formată din praf este curbată de presiunea slabă a radiație solare

Cozile cometelor pot avea lungimi de până la 1 u.a.

Deoarece cometele pierd material (ex: cometa Halley pierde în fiecare secundă petrecută aproape de periheliu 25-30 tone de material ) acestea au viață limitată


Norul lui Oort. Sursa:

http://spaceguard.rm.iasf.cnr.it/

Teoriile actuale ale formarii norului lui Oort implica , planetezimale formate in 3-30UA si ejectate prin perturbatie gravitationala de planetele gigantice;

Ejectarea corpurilor mici exterioare orbitei lu Jupiter => migrarea lui Jupiter spre interior, migrarea celorlalte planete gigantice spre exterior;

Originea cometelor – norul lui Oort

Comete cu perioada lunga

Comete de tip Halley

Comete din familia Jupiter

Comete în centura principală

Sursa: http://www.ifa.hawaii.edu/users/hsieh/mbcs.shtml

Meteori – stele căzătoare

Explicația meteorilorPerseide 2012. Credit: David Kingman


Curenți meteorici http://imo.net/files/data/calendar/cal2016.pdf

Observații vizuale

Observații fotografice

Observații radio

Meteoriți

Sursa: Internet

Formarea Sistemului Solar

Toate planetele se rotesc în jurul Soarelui în același sens (sensul de rotație al Soarelui), pe orbite aproape circulare, în aproape același plan de revoluție;

Planetele se rotesc în jurul axei proprii în același sens cu sensul de revoluție (excepție Venus si Uranus);

Majoritatea sateliților se rotesc in jurul planetelor în aceeași direcție cu sensul de rotație al planetei de care aparțin, în planul ecuatorial al acesteia

Distanța dintre planete respecta un șablon, legea Titius-Bode;

Piesele puzzle-ului

Densitatea și compoziția planetelor: planetele joviene au densități scăzute, conținând un procent ridicat de elemente volatile, planetele terestre conțin elemente grele;

Toate planetele cu suprafața solida, prezintă cratere;

Toate planetele joviene au un sistem de inele;

Asteroizii, cometele și meteoriți populează Sistemul Solar;

Planetele au un moment cinetic total mult mai mare decât Soarele, cu toate ca masa sistemului solar este concentrata in Soare;

Sisteme planetare au fost observate

și in jurul altor stele.

Cele patru exoplanete ale stelei HR 8799. Imagine: ESO.

Piesele puzzle-ului

Norul de gaz si praf În galaxie există un număr mare de nori moleculari

de gaz și praf cu mase variind între ~1MS si ~1000000 MS

(MS : masa Soarelui~ masa Sistemului Solar)

T = 10-30 K, densitate: ~5000 de molecule / cm3 ;

Compoziție: (majoritar) H2 , He , azot, apa, dioxid și monoxid de carbon, metan. Cantități mici de silicați, sulfuri, amoniac și alte combinații de H, C, N, O.

Norul de gaz și praf este stabil: presiunea gazului, mișcări locale turbionare, câmpuri magnetice contrabalansează gravitația.

t = ”-1”

Cepheus B, imagine compozita (obtinuta cu imagini de la telescoapele Chandra X-Ray si Spitzer). Sursa: http://www.nasa.gov/

Colapsul norului molecular Evenimente care pot declanșa colapsul

gravitațional:

Trecerea printr-un braț spiral al galaxiei (dacă norul molecular este la limita stabilității);

Vânturi stelare puternice (stele din apropiere);

Explozia unei supernove.

Studii recente (bazate pe compoziția chimica a meteoriților) aduc argumente pentru formarea sistemului solar intr-o

zona de tipul nebuloasei Eagle, cu multe stele masive care devin supernove, injectând material nou în norul de praf

și gaz.

t = 0

t = 0

Început, colapsul gravitațional accelerează pe măsura creșterii densității – având loc o prăbușire din interior spre exterior;

Rotația capătă un efect dominant în momentul în care reușește să balanseze forța gravitaționala. Dacă, discul se rotește prea rapid, se poate rupe, formându-se un sistem de stele binar;

Teoretic toate stelele singulare, sunt înconjurate în momentul formarii de un disc plat de materie;

Pe măsura ce centrul colapsează temperatura acestuia crește ;

Formarea planetezimalelor

Formarea planetezimalelor, schematic. Sursa: Scientific American, May 2008 : The Genesis of planets

t = ~1 milion ani

t = ~1 milion ani

Pe măsura ce gazul din disc se răcește, are loc condensul elementelor;

Elementele non-volatile (fierul, siliciul) condensează primele, formând particule de praf;

Linia înghețului = distanța față de Soarele nou format la care apa poate exista sub forma de gheața;

Regiunea interioara liniei înghețului conține elemente non-volatile;

Orbitele particulelor condensate sunt eliptice, având loc ciocniri între acestea prin care își măresc dimensiunea și tind să capete orbite mai puțin excentrice;

Procesele mecanice și chimice care duc la aglomerarea particulelor sunt destul de puțin înțelese (viteza de condensare diferă față de modele actuale);

t = ~1 milion ani

Chondrulele: - primelepicături de materiecondensată în nebuloasaprimitiva, au dimensiunide ordinul micrometrilorpana la un milimetru.

Temperatura de condensare pentru diferite materiale.

Sursa: http://www2.astro.psu.edu/users/niel/astro1/slideshows/class43/slides-43.html

Chondrule în structura unui meteorit. Sursa:

http://en.wikipedia.org/

t = ~1 milion ani

Modelele curente sugerează că aglomerările de materie au căpătat dimensiuni macroscopice de la dimensiuni micrometrice în ~10000 ani

Planetezimale = acumulările macroscopice de materie;

O parte din planetezimale se aseamănă cu un sistem solar in miniatura, având particule și gaz care orbitează în jurul acestora.

Formarea particulelor de dimensiuni macroscopice. Sursa: Scientific American, May 2008 : The Genesis of planets

”Răsăritul oligarhilor”: formarea embrionilor de dimensiunea planetelor telurice

Când planetizmalele au atins dimensiuni de ordinul km, perturbațiile gravitaționale între acestea devin semnificative;

Balanța între coagulare și fragmentare în urma ciocnirilor (funcție de energia de impact) a condus la planetezimale cu diferite mase și dimesiuni;

Cu cat sunt mai masive, cu atât forța de gravitație exercitată este mai mare, în consecința creșterea este mai rapida;

Formarea unei populații de câțiva embrioni planetari cu mase similare care concurează, pentru planetizmalele rămase.

t = 1 –> 10 milioane de ani


Fiecare embrion are o bandă de acumulare centrata în jurul orbitei sale;

Creșterea embrionilor planetari stagnează când materialul din zona este în majoritate acumulat;

La 1 UA, masa embrionului este ~ 0.1 MP;

La 5 UA – masa embrionului est ~ 10MP;

Formarea embrionilor planetari. Sursa: Scientific

American, May 2008 : The Genesis of planets

Primul gigant În timpul formarii sistemului solar trebuie să fi

existat o etapă în care gazul să fi fost curățat, deoarece nu există gaz.

Pierderea gazului – etapa crucială în formarea planetelor gazoase.

Toate planetele joviene au aproximativ aceeași masa de rocă, dar abundanța H și He diferă semnificativ.

Modele actuale și observațiile stelelor de tip T Tauri, sugerează ca Soarele abia format avea o luminozitate de 20~30 de ori mai mare decât luminozitatea actuala.

t~10 milioane ani

Formarea celorlalți giganți Apariția primei planete gigantice facilitează

apariția de noi planete gigantice:

Cu cat distantele sunt mai îndepărtate, cu atât acumularea de masa este mai lentă astfel că fără existenta lui Jupiter celelalte planete exterioare nu s-ar fi putut forma, discul disipându-se înainte.

Ejecția către exterior a planetezimalelor formate

Formarea planetei Saturn;

Formarea planetelor Uranus și Neptun din planetezimalele ramase: embrioni planetari masivi: 10-20 mase terestre

t~10 milioane ani

t~10 milioane ani

Uranus si Neptun – giganți de gheata care încorporează ~2 mase terestre de gaz;

Locul formarii planetelor Uranus si Neptun ar trebui să fie mult mai aproape de Jupiter și Saturn, fiind împrăștiate apoi spre exterior de influența gravitațională;

Distanța la care planetele Uranus și Neptun s-au format este data de echilibrul între viteza de creștere a acestora și împrăștierea lor pe orbite excentrice;

Orbite circulare – orbite eliptice: în sistemele planetare observate pana în prezent, orbitele eliptice sunt majoritare.

Migrarea planetelor Orbitele planetelor pot migra spre interior sau spre exterior,

ca o consecință a schimbului de moment cinetic între discul protoplanetar și planetă;

Migrarea planetei în interiorul discului planetar (Tip I) către stea – ~105 x (masa planetei/masa Pământului);

Migrarea planetei după ce și-a curățat orbita de gaz (Tip II);

”mortalitate infantila” a planetelor gigant;

Migrarea planetelor. Sursa:

http://jila.colorado.edu/~pja/planet_migration.html

Migrare Tip 1 Migrare Tip II

t~10 milioane ani

Formarea planetelor telurice În interiorul graniței înghețului compoziția embrionilor

planetari este formata din material cu punct de fierbere ridicat: silicați, fier, roci, etc.

Masa embrionilor planetari interiori liniei înghețului ~0.1MP;

Perturbații gravitaționale mutuale, viteze mari, perturbații ale planetelor gigantice conduc la orbite excentrice ale embrionilor planetari;

Evoluția embrionilor planetari: apropieri și ciocniri inelastice între embrioni



Simularea formarii planetelor telurice. Sursa: http://astrobiology.nasa.gov/


Rezultatele simularilor: 2-5 planete telurice formate intr-o perioada de ordinul a 100 milioane de ani;

Orbite excentrice;

Interactiunea cu praful si fragmentarile neluate in calcul;

Mixarea elementelor;

Coleziuni frecvente intre embrionii planetari – o astfel de coleziune indepartat o parte din mantaua de silicati a lui Mercur;

In etapele finale ale simularilor, o planeta de tipul Pamantului se ciocneste cu obiecte de dimensiunea Lunii;

Oblicitatea axelor de rotatie a planetelor telurice poate fi explicata in acest fel;


Etapele formarii planetelor telurice.

Sursa: Scientific American, May 2008 : The Genesis of planets

Orientarea axei de rotatie a planetelor.

Sursa: Internet

Diferențierea corpurilor masive Impactul planetezimalelor duce la creșterea masei

și temperaturii planetei;

Încălzirea planetei, duce la topirea materialelor și separarea lor, materialele mai dense scufundându-se;

Temperatura suprafeței este data de balanța între energia generata de acreție și pierderile prin radiație în spațiu;

Energia termica rezultată din acreție duce la diferențierea corpurilor masive

Bombardamentul tarziu A avut loc ~3.9 miliarde

de ani, ca o consecința a migrării planetelor joviene;

O alta ipoteza –sfârșitul monoton al fluxului de impacturi (4.0-4.5 miliarde de ani);

Luna. Sursa: http://www.psrd.hawaii.edu/Aug06/cataclysmDynamics.html

t = ~0.7 miliarde ani

Originea sateliților planetari Sateliții și inelele planetelor gigantice sunt

analoage unui sistem solar în miniatura;

Sateliți:

Regulari – s-au format într-un disc ce orbita planeta în planul ecuatorial prin acreție;

Iregulari – capturați de pe orbite heliocentrice;

Luminozitatea nou formatului Jupiter explica gradientul de compoziție al sateliților jovieni;

Majoritatea sistemelor de inele nu sunt primordiale;

Originea Lunii Compoziția Lunii – similară compoziției mantalei

Pământului;

Coacreerea, capturarea, fiziunea nu sunt satisfăcătoare din p.d.v al proprietăților dinamice și compoziției;

Ipoteza coleziunii între Pământ și un corp masiv (de dimensiunea planetei Marte):

Similarități în compoziție;

Lipsa materialelor volatile;

Se pot defini parametrii de impact care pot desprinde o cantitate de material necesară formarii Lunii

asteroizi, comete, meteori. formarea sistemului solar · imagine de înaltă rezoluție a...

Documents