Inleiding astrofysica 2003 Fysica van het zonnestelsel 1

Inleiding astrofysica 2003
Wat is het zonnestelsel?
Inleiding Astrofysica
Het zonnestelsel bestaat uit
Paul van der Werf
een centrale ster: de zon
acht planeten in banen rond de zon
satellieten in banen rond de planeten
astroïden
de Kuiper gordel (met Pluto als grootste object)
kometen
meteorieten
interplanetair stof en gas
magneetvelden
Fysica van het zonnestelsel
4
Inleiding astrofysica
Z
`
T
_a
]
_
]^
Y
N
I
Q
@A
?
67
GH
D
C
8
34
+
)*
%
"
'
#
$
0
,
-.
>
;
5
:
<=
;
9
/
Veel manen
Veel ringen
Inleiding astrofysica
LM
E
F
B
K
J
Voornamelijk gasvormig
Voornamelijk H2 en He
Geen vast oppervlak
S
P
O
R
WX
V
U
\
[
Hoge massa
Grote straal
Weinig satellieten
Geen ringen
Planetaire satellieten
Lage dichtheid
Voornamelijk rotsachig materiaal
Veel zware elementen
Vast oppervlak
3
12
Hoge dichtheid
Inleiding astrofysica
(
Relatief groot
Lage massa
Kleine straal
2
&
De buitenplaneten
De binnenplaneten
Relatief klein
Inleiding astrofysica
5
Inleiding astrofysica
!
Sterrewacht Leiden
De zon en de planeten
6
1
Inleiding astrofysica 2003
Vergelijkende planetologie
I
J
J
J
K
K
K
1 grote satelliet
Voor endogene processen is energie nodig
Kleine planeten (en manen enastroiden) hebben meestal weinig
inwendige warmte, en daarom weinig endogene activiteit.
Exogene processen werken op alle planeten (en manen enz.).
Bij de binnenplaneten zijn de belangrijkste energiebronnen:
L
L
I
J
I
M
schermt UV af
beschermt tegen meteorieten
broeikaseffect
M
vulkanisme
erosie
tektoniek
M
*+
inslagen
zeer weinig kraters
zuurstofrijke atmosfeer
endogeen (van de planeet zelf):
L
"
/(
!
(0
/
, -.
(
()
exogeen (van buiten de planeet):
K
J
45
I
9
13
J
:
;:
21
<
A
=>
78
87
?@
67
&'
# $$%
4 processen die het oppervlak veranderen
voorwaarde voor leven
temperatuur stabiliteit
erosie
M
DE
enige planeet met leven
(voor zover we weten)
oppervlak 71% water
J
FG
B
H
CB
I
I
Een planeet in detail: de Aarde
L
Massapercentages
Inleiding astrofysica
7
8
Erosie
Inleiding astrofysica
9
Platentektoniek
beweging van tektonische platen
2 - 3 cm/ jaar (groeisnelheid vingernagels)
voor het eerst voorgesteld in ~ 1620 (Bacon), geaccepteerd sinds ~ 1970
M
M
M
Vulkanisme
Inleiding astrofysica
Radioactiviteit
Zonlicht
Energie van de vorming
Inleiding astrofysica
Fysica van het zonnestelsel
10
Inleiding astrofysica
11
Inleiding astrofysica
12
2
Inleiding astrofysica 2003
⇒ ve =
2GM ⊕
r⊕
13
v 2 dv
kT
vrms =
met als typische snelheid
3kT
m
dus om een molecuul vast te houden
Inleiding astrofysica
GmM ⊕
150kr⊕
14
Broeikasgassen en temperatuur
oorspronkelijke atmosfeer (H2 + He) verloren!
Tweede atmosfeer: "outgassing"
2
bv. ve > 10vrms ⇒ T <
Broeikaseffect
vulkanisme: H2O, CO2, N2, (H2 ontsnapt)
kometen: H2O
H2O vormt oceanen, lost meeste CO2 op
CO2 opgesloten in kalksteen
O2 vrij recent: ~ 2 miljard jaar geleden,
fotosynthese
O2 geioniseerd door UV in hoge atmosfeer, vormt ozon O3
O3 beschermt leven op land
Inleiding astrofysica
15
De maan
Zon verwarmt aarde tot ~300 K dus
aarde straalt vooral bij ~10–20µm.
Broeikasgassen (CO2, CH4)
absorberen bij 10–20µm dus
atmosfeer warmt op.
CO2 in de atmosfeer
⇒broeikaseffect!
meer broeikasgassen
⇒ hogere temperatuur, klimaat
veranderingen
GmM ⊕
r⊕
F (v )dv ∝ e
− 12 mv
⇒ 12 mve2 =
waarom geen H2 en He
atmosfeer?
waar komt het water
vandaan?
kan de aarde een
atmosfeer vasthouden?
T ≈ 300 K dus vrms>ve voor H2 en He
tot
Wat is de snelheid van
moleculen in de atmosfeer?
De snelheidsverdeling is de
Maxwellverdeling:
De ontsnappingssnelheid is
de snelheid die een object
moet hebben om aan de
zwaartekracht te ontsnappen.
Dus: ∆E = 0
Inleiding astrofysica
Evolutie van de aardatmosfeer
Atmosfeer en zwaartekracht
De aardatmosfeer
temperatuur
voorkant
Delicate balans!
Inleiding astrofysica
Fysica van het zonnestelsel
16
Inleiding astrofysica
17
Inleiding astrofysica
achterkant
18
3
Inleiding astrofysica 2003
Vergelijking met aarde
Maanoppervlak:
kraters
Waarom geen geologische activiteit?
Maan:
Maanmoet al zijn thermische energie hebben verloren.
Hoe kan dat?
De afkoeling is evenredig met het oppervlak A= 4 πr2
zwaar bekraterd
geen vulkanisme of platentektoniek: geologisch dood
geen atmosfeer, dus geen erosie
geen magnetisch veld
⇒ geen endogene processen; exogene processen bepalen oppervlak
Aarde:
De hoeveelheid thermische energie is evenredig met het
volume V = 4/3 πr3
⇒ afkoeltijd ∝ V/A ∝ r dus kleinere objecten koelen
sneller af en hebben minder endogene processen.
Inleiding astrofysica
19
Inslagen voor het eerst voorgesteld
door Grove Gilbert in ~1890; pas
veel later geaccepteerd als
verklaring; tot die tijd ging met
uit van vulkanisme.
Tegenargument was: als kraters door
inslagen komen, waarom zijn ze
dan altijd rond, nooit sterk
elliptisch (zoals verwacht bij een
schuine inslag)?
Later begreep men dat inslagenniet
passief zijn maar explosief. De
invalshoek is onbelangrijk.
(bomkraters uit de 1ste
wereldoorlog).
Fysica van het zonnestelsel
20
Inslaggeschiedenis
Kratering door inslagen
Inleiding astrofysica
Inleiding astrofysica
zeer weinig kraters
actieve platentektoniek en vulkanisme: geologisch actief
dichte atmosfeer veroorzaakt broeikaseffect en erosie
sterk magnetisch veld
⇒ endogene processen bepalen het oppervlak
Inleiding astrofysica
Inleiding astrofysica
21
Atmosfeer
Geologisch dood, geen weer, geen
oppervlaktewater, dus geen
erosie, het oppervlak verraadt de
inslaggeschiedenis.
De maria zijn slechts ~500 mijoen
jaar (~10%) jonger dan de
hooglanden (bepaald met
radioactiviteit vanmaan rotsen).
Dus nam de inslagfrequentie sterk
af tussen 4.5 miljard en 4.0
miljard jaar geleden, want de
hooglanden hebben 10 maal
zoveel kraters als de maria.
Hevig inslagbombardment in het
vroege zonnestelsel.
22
De maan heeft tijd gehad om af te koelen, de aarde niet.
Waarom heeft de maan geen atmosfeer?
Ontsnappingssnelheid ~4.8× minder dan op aarde
Zelfs zware moleculen ontsnappen
De maan kan geen atmosfeer vasthouden
23
Inleiding astrofysica
24
4
Inleiding astrofysica 2003
Getijden evolutie
Getijdenwerking van de maan
Getijdenwerking van de maan
Maan veroorzaakt getijden op aarde
A
x
r
Wat domineert de krachten en getijdenwerking op aarde:
de zon of de maan?
m
B
M
Waarom zijn er 2 vloed-pieken?
dF 4Gmmaan M ⊕ R⊕
=
dr
r3
NB: r = afstand aarde-maan
dF = 2 R⊕
m
Krachtverschil tussen A en B:
Getijden ⇒ langzamere rotatie
+ grotere afstand
Lang geleden: maan veel
dichterbij, getijden veel sterker
en vaker
Verre toekomst: maan veel
verder weg, getijden zwakker
en minder vaak
Eindpunt: synchrone rotatie
aarde (dag = maand)
3

dFzon
M d
= zon  maan  ≈ 0.45
dFmaan M maan  d zon 
2
Fzon
M zon  d maan 

 = 178
=
Fmaan M maan  d zon 
Antwoord: De aarde staat niet stil. Hij "valt naar de maan". Moleculen in A
vallen sneller dan de aarde, moleculen in B vallen langzamer. Dus
twee vloed-pieken!
De zon domineert de kracht maar de maan domineert de getijden!
Inleiding astrofysica
25
Inleiding astrofysica
Gevolg van getijden
evolutie
rotatie van de maan en baan
rond de aarde duren even
lang!
vervorming van de maan
door getijden veroorzaakt
door aarde dissipeerde rotatie
energie
als synchrone rotatie berijkt
is, geen getijden meer!
Fysica van het zonnestelsel
Inleiding astrofysica
27
Mercurius
Processen:
Maan rotateert synchroon
met de aarde
Inleiding astrofysica
26
Binnenplaneten
Synchrone rotatie van de maan
vloedpieken worden door wrijving met aarde meegenomen: lopen iets voor
gravitationele krachten op de vloed-pieken remmen de rotatie van de aarde af
gravitationele kracht van vloedpieken trekken de maan vooruit in zijn baan
behoud van impulsmoment en energie ⇒ afstand aarde-maan neemt toe (~3 cm/jaar)
intensiteit van zonnestraling
broeikaseffect
geologische activiteit
inslagen
getijdenwerking
Breuk
28
Inleiding astrofysica
29
Inleiding astrofysica
30
5
Inleiding astrofysica 2003
Mercurius
Baan van Mercurius en getijden
Maanachtig oppervlak
zwaar bekraterd
breuken zijn waarschijnlijk krimplijnen
exogene processen domineren
overdag 700 K
's nachts 100 K (eigenlijk vrij koud)
Dicht bij de zon: heet
Sommige gebieden bij de polen
liggen permanent in de schaduw:
De baan van
Mercurius is via
getijdenaan de zon
gekoppeld, maar
anders dan de maan.
Venus
Mercurius draait 3
keer om zijn as per
2 omlopen om de
zon.
water ijs bij de polen!
Geen atmosfeer (te licht en heet)
Inleiding astrofysica
31
32
Oppervlak van Venus
Inleiding astrofysica
33
Radarkartering
Venus heeft ongeveer dezelfde massa
als de aarde.
Combinatie van endogene en
exogene processen:
vulkanisme (actief???)
erosie
tektoniek (actief???)
lichte kratering
De atmosfeer van Venus is rijk aan
CO2. Anders dan op aarde wordt die
niet door oceanen geabsorbeerd ⇒
extreem broeikas effect met
temperatuur van 750K (warmer dan
Mercurius overdag!)
Venus
Inleiding astrofysica
Oppervlak niet zichtbaar door wolken
⇒ radarkartering
Retrograde rotatie
Inleiding astrofysica
Fysica van het zonnestelsel
34
Inleiding astrofysica
35
Inleiding astrofysica
36
6
Inleiding astrofysica 2003
Venus: Miss Piggy vulkaan
Mars
vanaf aarde
Inleiding astrofysica
37
Mars
vanuit ruimte
Inleiding astrofysica
38
Vulkanen op Mars
Mars heeft ongeveer half de
straal en 10% van de massa
van de aarde.
Vrij sterk bekraterd maar ook
vulkanisme (dood), tektoniek
en erosie door water (vroeger)
en wind (vroeger en nu) ⇒
combinatie van endogene en
exogene processen
Actieve atmosfeer (stormen,
sneeuw)
Seizoenen (stormen,
poolkappen)
Vroeger water ⇒ leven?
Inleiding astrofysica
39
Erosie op Mars: vroeger vloeibaar water
Mars oppervlak
Olympus Mons (24km hoog): grootste
vulkaan in zonnestelsel
Inleiding astrofysica
Fysica van het zonnestelsel
40
Inleiding astrofysica
41
Inleiding astrofysica
42
7
Inleiding astrofysica 2003
Fossiel bacterieel
leven?
Leven op Mars?
De buitenplaneten
Viking 1
1997: mogelijke
fossiele bacteriën in
Mars-meteoriet
gevonden in
Antarctica
1898: H. G. Wells
“War of the Worlds”
1938: Orson Welles
radio uitzending
1976: Viking 1 opname:
het gezicht op Mars
Mars Explorer
Inleiding astrofysica
gas reuzen: dikke atmosferen van voornamelijk H2 en He met
waarschijnlijk rotsachtige kernen ongeveer zo groot als de aarde.
ringen
veel manen
geen vast oppervlak, dus geen endogene of exogene processen die
het oppervlak beinvloeden:
geen kraters
geen vulkanisme
geen tektoniek
geen erosie
Maar: grote planeten hebben veel interne thermische energie. Als er
geen endogene processen zijn, waar gaat die energie dan heen?
door sommigen voor planetair
irrigatie systeem gehouden
1877: Schiaparelli: “canali”
43
Inleiding astrofysica
44
Inleiding astrofysica
45
De grote
rode vlek
Stormen
Banden en
stormen
Inleiding astrofysica
Fysica van het zonnestelsel
46
Inleiding astrofysica
47
Inleiding astrofysica
48
8
Inleiding astrofysica 2003
Neptunus
Neptunus
Jupiter
Ringen zijn dun: ± 1 km
Ringen zijn transparant
Scheidingen in ringen
Ringen
Jupiter: stof ring
Saturnus: ijsbrokken
spaken, scheidingen
Uranus: koolstof
Neptunus: koolstof
boogjes
Uranus
Hardste wind van het
zonnestelsel:
2000 km/uur.
Grote Donkere Vlek:
storm
Dunne ring
Maan Triton in
retrograde baan
(⇒ ingevangen?),
geologisch actief
Ringen van Saturnus
Inleiding astrofysica
49
Inleiding astrofysica
Saturnus
De Roche-limiet
scheidingen in ringen: resonanties met
satellieten.
bv. Cassini scheiding: 2:1 resonantie
met Mimas. In resonantie wordt
materiaal naar buiten getrokken ⇒
scheiding ontstaat en materiaal is uit
resonantie
dF 2GmMdr
=
getijden
dr
D3
Gm2
gravitatie
dF = 2
dr
dF = dr
m, ρm
M, ρM
D
spaken: magnetische krachten? puin
van meteorieten?
R
1
Binnen de Roche-limiet D is de
getijdenwerking sterker dan de zelfgravitatie:
NB: ringen opgeruimd door botsingen,
resonanties, zonnewind, etc.
⇒ leeftijd ~108 jaar
⇒ "recente" activiteit
Fysica van het zonnestelsel
Getijdenwerking op 2 deeltjes
op afstand dr: krachtverschil
dr
Scheidingen en spaken in ringen
Inleiding astrofysica
50
52
planeten/manen kunnen niet vormen
alleen materiaalsterkte houdt objecten heel
Inleiding astrofysica
 2M  3
⇒ D=
 dr
 m 
1
 ρ 3
⇒ D = 2.5  M  R
 ρm 
voor
homogene
bollen
53
Inleiding astrofysica
54
9
Inleiding astrofysica 2003
Astroïden
Oorsprong astroïden
Kirkwood scheidingen
Bewijs voor de invloed van
Jupiter: de Kirkwood
scheidingen
De regel van Titius en Bode:
de stralen van planeetbanen voldoen aan r = 0 .1 AU (3n + 4)
( n = 0,1,2,3, 4,5,6,7,8)
TB
0.4
0.7
1.0
1.6
2.8
5.2
10.0
19.6
Mercurius
Venus
Aarde
Mars
?
Jupiter
Saturnus
Uranus
r
0.39
0.72
1.0
1.52
—
5.20
9.54
19.16
Inleiding astrofysica
¼
Jupiter verstoorde banen en
voorkwam zo vorming van
een planeet
55
Inleiding astrofysica
Trojanen: zelfde baan als Jupiter!
56
Inleiding astrofysica
ongeveer 200 Apollo astroïden
(astroïden met banen die de aardbaan
kruisen) bekend
vallen na ongeveer 107 jaar in de zon,
worden aangevuld door verstoringen op
de hoofd gordel door Jupiter
Barringer krater
60º
60º
L5
30000 jaar oud
1.2 km krater
30 m meteoriet
Tunguska 1908
~ 500 m meteoriet
2200 km2 oppervlak
L4
57
Inslagen
gaan naar banen in het binnengebied van het zonnestelsel:
Apollo astroïden
worden ingevangen door de reuzenplaneten:
kleine satellieten
komen in stabiele banen in L4 en L5
Lagrange punten van het zon-Jupiter
60º 60º
systeem terecht: de Trojanen
Astroïden met perioden die een
simpele fractie (1:2, 1:3, 1:4, 2:3…)
van de periode van Jupiter zijn
ontbreken!
Resonanties met Jupiter
Jupiter ruimt geleidelijk de astroïden
gordel op
astroïde Ida, lengte 56 km
met maantje(!) Dactyl, 1.5 km
Apollo astroïden
Astroïden die na verstoring door Jupiter uit de hoofdgordel
verdwijnen
1
Lot van astroïden
½
Trojanen
Voorspelt een planeet op r = 2.8 AU
Giuseppe Piazzi ontdekt Ceres in 1801
Baan berekend door Gauss, r = 2.77 AU
Ceres slechts 900 km in diameter.
In de volgende 50 jaar: Pallas, Juno and Vesta
Nu vele duizenden banen bekend
Waarschijnlijk > 500000 groter dan 1 km
Totale massa slechts 5% van massa van maan
Peekskill 1993
~1m meteoriet
Inleiding astrofysica
Fysica van het zonnestelsel
58
Inleiding astrofysica
59
Inleiding astrofysica
60
10
Inleiding astrofysica 2003
Satellieten van Jupiter
Triton (ingevangen satelliet van Neptunus)
Pluto
Charon
op regelmatige afstanden van hoofdplaneet
banen bijna cirkelvormig, in equatoriaal vlak
satellieten bijna bolvormig
synchrone rotatie
endogene en exogene processen
Gewone satellieten
64
Inleiding astrofysica
.
*
0
-
-
/
)
,
65
Inleiding astrofysica
$
"#
!
(
%
&
&
#
'
2
4
4
8
1
9
2
34
2
34
2
1
+
banen sterk elliptisch, vaak hoge inclinatie, soms retrograad
vaak zo ver van de planeet als nog kan zonder te ontsnappen
meestal alleen exogene processen
8
Ingevangen manen
56
klein en onregelmatig van vorm
binnen de ringen en de Roche limiet
alleen exogene processen
9
Brokstukken van botsingen
Pluto en Charon vormen een
dubbelsysteem
Ze keren elkaar altijd dezelfde
zijde toe (beide in synchrone
rotatie door wederzijdse getijden!)
4
Satellieten: 3 typen
De grootste bekende Kuiper gordel
objecten zijn
Fysica van het zonnestelsel
61
Pluto, Charon en Triton
Inleiding astrofysica
objecten buiten de baan van
Neptunus (30 –50 AU,
mogelijk tot 130 AU)
ongeveer 100 bekend (100 –
500 km diameter)
naar schatting >70000
objecten van >100 km
primitiefste materiaal van het
zonnestelsel
veel objecten in 3:2
resonantie banen met
Neptunus (net als Pluto):
“Plutino's”
76
Inleiding astrofysica
180 km
Chicxulub krater
10 km object
65 miljoen jaar oud
Laag rijk aan iridium aan eind
van mesozoicum, over hele
wereld
Resulterende
klimaatverandering
waarschijnlijke oorzaak
uitsterven dinosauriërs
Meteoriden - kleine
rotsachtige objecten in
het zonnestelsel
Meteoren lichtverschijnsel als
meteoride atmosfeer
binnendringt (wrijving
en verbranding):
vallende ster
Meteorieten - restanten
die de grond bereiken
De Kuiper gordel
Ongeveer 100000
meteoren per uur
Voornamelijk objecten
met grootte ~1cm
Dagelijks honderden
tonnen
Katastrofale inslag
Meteorieten
66
11
Inleiding astrofysica 2003
Galilei's
Satellieten
Endogene processen in satellieten
Inleiding astrofysica
67
Ganymedes
Fysica van het zonnestelsel
Io-Europa-Ganymedes
baan resonantie 1:2:4
⇒ geen synchrone rotatie
⇒ getijdenverwarming
⇒ endogene processen
sterkst bij binnenste
manen:
Io en Europa bij Jupiter
Enceladus bij Saturnus
Miranda bij Uranus
Inleiding astrofysica
enige van de 4 grote satellieten
zonder baanresonantie
synchrone rotatie
geen getijdenverwarming
geologisch dood
zwaar bekraterd
68
Inleiding astrofysica
69
Europa
grootste maan van het zonnestelsel (groter dan Mercurius en Pluto)
baanresonantie met Io en Europa: getijdenverwarming
breuken en groeven: platentektoniek
Inleiding astrofysica
Voor endogene processen is energie nodig
Satellieten zijn klein ⇒ koelen snel af
Ze staan ver van de zon
⇒ waar komt de energie voor endogene
processen vandaan?
getijden verwarming
Effecten van getijden:
baan evolutie (van of naar planeet)
baan circularisatie
verwarming van inwendige
synchrone rotatie (⇒ geen
getijden verwarming meer!)
Callisto
baanresonantie met Io en Ganymedes ⇒ geen synchrone rotatie
⇒ getijdenverwarming zorgt voor geologische activiteit
gebarsten ijsoppervlak met waarschijnlijk daaronder vloeibaar water
70
Inleiding astrofysica
100 x 140 km
71
Inleiding astrofysica
72
12
Inleiding astrofysica 2003
IJsschotsen op Europa
Io
baanresonantie met Io en Europa ⇒ geen synchrone rotatie
⇒ getijdenverwarming zorgt voor geologische activiteit
wegens korte afstand tot Jupiter getijdenverwarming zeer sterk
actief vulkanisme (zwavel), inwendige waarschijnlijk gesmolten
1.7 x 4 km
32 x 42 km
Inleiding astrofysica
73
Inleiding astrofysica
Vulkanisme
op Io
74
75
Kometen
Io
bewegingsrichting
vulkanisme
geen kraters
Europa
tektoniek
weinig kraters
Ganymedes
tektoniek
enige kraters
Callisto
geen geologische activiteit
voornamelijk kraters
stof staart
Vergelijkende planetologie
Inleiding astrofysica
naar zon
106 km
Coma
ionen staart
1979
1996
Inleiding astrofysica
Fysica van het zonnestelsel
76
Inleiding astrofysica
77
Inleiding astrofysica
78
13
Inleiding astrofysica 2003
Oorsprong van kometen
Actief gebied
(geyser)
Komeetkernen
banen: kleine inclinaties, aphelium ~ 30 - 1000 AU, korte
omlooptijden (< 200 jaar)
gravitationele storingen door de reuzenplaneten brengen kometen op
banen langs de zon
16 km
Kometen bestaan voornamelijk uit
water met daarin ander materiaal
(waaronder organisch): het "vuile
sneeuwbal" model
Ze zijn niet veranderd sinds de
vorming van het zonnestelsel:
"kosmische fossielen"
Ze leveren fysische en chemische
informatie over het protozonnestelsel
Ze hebben mogelijk een groot
deel van het water en organische
stoffen (en leven?) op aarde
gebracht
niet op schaal!
Oort wolk:
banen: hoge excentriciteit, alle inclinaties, aphelium 10000 - 100000
AU, lange perioden (~10 miljoen jaar)
mogelijk meer dan een biljoen objecten (totale massa > 10 M⊕)
gravitationele storingen door passerende ster brengen kometen op
banen langs de zon
massa-uitsterven periodiek met periode 26 miljoen jaar ?????
storingen door Nemesis, onzichtbare begeleider van de zon ?????
8 km
Inleiding astrofysica
Oort wolk
Kuiper gordel:
79
80
Inleiding astrofysica
81
Kometen en Jupiter
Einde van kometen
Inleiding astrofysica
baan van Neptunus
SL9
Jupiter fungeert als stofzuiger in het zonnestelsel
Jupiter vangt kometen in (beschermt zo andere planeten)
bv. Shoemaker-Levy 9 inslag op Jupiter in 1994
ingevangen in baan rond Jupiter circa 1920
in 1992 uit elkaar getrokken: kern kwam binnen Roche-limiet
Tunguska inslag, 30 Juni 1908
Waarschijnlijk een ~30m brokstuk
van komeet Encke
Inleiding astrofysica
Fysica van het zonnestelsel
82
Inleiding astrofysica
83
Inleiding astrofysica
84
14
Inleiding astrofysica 2003
Einde van kometen: meteoren regens
Vorming van het zonnestelsel
De aarde beweegt soms door
achtergebleven puin van kometen
(materiaal uit staart): meteorenregen
positie aarde
op 17 november
Leoniden (komeet Temple-Tuttle staart)
Inleiding astrofysica
85
Eigenschappen van het zonnestelsel
Leeftijd van het zonnestelsel
Newton: vorming zonnestelsel valt buiten de fysica en is het gevolg van
een scheppingsdaad.
Ondanks aartsbisschop Ussher beweerden geologen al in de 18de en
19de eeuw op grond van rotslagen en fossielen dat de aarde tientallen
miljoenen jaar oud was, maar absolute datering was moeilijk.
Aartsbisschop James Ussher stelde in 1664 dat de aarde was ontstaan in
4004 v.Chr., op 26 oktober, om 9 uur 's ochtends, en dus ongeveer 6000
jaar oud was.
Absolute datering werd mogelijk met ontdekking van radioactief verval
in 1896 door Becquerel en de Curies.
Begin van moderne discussie: nevelhypothese van Immanuel Kant
(1724–1804) en Pierre-Simon de Laplace (1749–1827)
Radioactieve datering toont aan dat de oudste rotsen op aarde
3.8 miljard jaar oud zijn, maanrotsen 4.2 miljard jaar en meteorieten
4.5–4.7 miljard jaar.
Pas sinds enkele tientallen jaren onderwerp van actief sterrenkundig
onderzoek
Het zonnestelsel is dus ongeveer 4.6 miljard jaar oud
(vgl. krateringsgeschiedenis maan).
Inleiding astrofysica
86
Verdere vereisten voor de theorie
Een theorie voor de vorming van het zonnestelsel moet
minstens het volgende verklaren:
Inleiding astrofysica
Nevelhypothese
Interstellaire wolk (of deel daarvan) trekt
samen door zwaartekracht
Impulsmoment is behouden, dus
rotatiesnelheid gaat omhoog bij
samentrekking
Door centrifugale kracht is samentrekking
moeilijker in het vlak loodrecht op de
impulsmomentvector
⇒ vorming van een afgeplatte schijf
Het materiaal binnen in de schijf draait het
snelst en neemt door wrijving verder naar
buiten gelegen materiaal mee ⇒ meeste
impulsmoment komt terecht in materiaal
op grote afstand van het centrum.
Een theorie voor de vorming van het zonnestelsel moet
bovendien het volgende verklaren:
planeetbanen zijn nagenoeg cirkelvormig
planeten bewegen nagenoeg in hetzelfde vlak
planeten bewegen nagenoeg in het equatorvlak van de zon
planeten bewegen in dezelfde richting om de zon
behalve Venus en Uranus roteren alle planeten prograad en in
dezelfde richting als de zon
meeste manen bewegen in zelfde vlak en zelfde richting als planeten
zon bevat meer dan 99% van de massa maar minder dan 1% van het
impulsmoment van het zonnestelsel
binnenplaneten zijn klein en rotsachtig, buitenplaneten zijn groot en
bestaan voornamelijk uit gas ("differentiatie")
Daarnaast moet er een verklaring komen voor het bestaan van de
astroïdengordel, de Kuipergordel en de Oortwolk.
⇒ impulsmoment speelt een fundamentele rol
Inleiding astrofysica
Fysica van het zonnestelsel
88
Inleiding astrofysica
87
89
Inleiding astrofysica
90
15
Inleiding astrofysica 2003
Inleiding astrofysica
Fysica van het zonnestelsel
Protoplanetaire schijven
92
-
Inleiding astrofysica
& %
()'
*+
,
!"
$#
91
-
-
temperatuur neemt af
met straal
binnenplaneten: zon
blaast gas weg en alleen
materialen met hoog
smeltpunt condenseren:
rotsachtige planeten met
dunne atmosfeer
buitenplaneten: gas
ingevangen in dikke
atmosferen, vorming
van ijslichamen
zon vormt na ~107 jaar
Differentiatie
de circumstellaire schijf bevat stof dat
geleidelijk aangroeit tot rotsen,
planetesimalen (~10km) en uiteindelijk
planeten.
astroïden en meteorieten zijn de restanten
van deze planetesimalen
buiten de Neptunusbaan te ijl om nog een
planeet te vormen: planetesimalen vormen
de Kuipergordel
planetesimalen bij Uranus en Neptunus
kunnen door gravitationele interactie op
zeer langgerekte banen terecht komen en
vormen de Oort wolk.
Vorming van het zonnestelsel
>50% van de jonge sterren heeft een protoplanetaire schijf
afmetingen schijven vergelijkbaar met zonnestelsel
massa's schijven ongeveer 1% van massa van de ster: genoeg voor vorming
van een zonnestelsel
Inleiding astrofysica
93
16