Planetenstelsels

Planetenstelsels
4. Kleine objecten in
het zonnestelsel
3 maart 2014
Docent: Dr. Michiel Hogerheijde, [email protected]
Assistenten: Ricardo Herbonnet, [email protected]
Jens Hoeijmakers, [email protected]
Overzicht van het college
datum
onderwerp
details
10 februari Inleiding
Historie; overzicht van het zonnestelsel; oorsprong van planetenstelsels;
exoplaneten.
17 februari Baandynamica
De wetten van Newton en Kepler; eigenschappen van ellipsen;
baanbeschrijving; baanbepaling; voorbij het 2-lichamen probleem.
24 februari Exoplaneten
Historie; Drake vergelijking; detectiemethoden: direct imaging, transits, radial
velocity; eigenschappen van exoplaneten; detectie van ‘exo-aardes’
3 maart
Kleine objecten in Definitie van 'planeet'; baanbeweging en resonanties; asteroiden; zodiacaal
het zonnestelsel stof; meteorieten; de Kuiper gordel; kometen; manen; ringen.
17 maart
Reuzenplaneten
Baanbeweging en rotatie; interne structuur; atmosfeer; magnetische velden;
satellieten.
24 maart
Aard-achtige
planeten
Baanbeweging en rotatie; interne structuur; oppervlakte processen en
tectoniek; atmosfeer en broeikaseffect; magnetische velden; leven.
31 maart
Vorming van
planetenstelsels
Nebular hypothesis; standaard model van stervorming; waarnemingen van
protoplanetaire schijven; van stof to planeten; chronologie van het zonnestelsel.
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
2
Samenvatting college #3 (1)
•
Sinds 1995 zijn honderden exoplaneten gedetecteerd
•
mbv RV, microlensing, transits, en direct imaging
•
kans op exoplaneet neemt toe met metaliciteit van de ster
•
aantal planeten neemt sterk toe met afnemende mpl
•
17% ‘Jupiters’, 52% ‘cool Neptunes’, 62% ‘super-earths’
•
‘Hot Jupiters’ op kleine apl, vaak met lage e
•
Planeten op ‘normale’ apl kunnen grotere e hebben
•
Minstens 12% van de systemen telt meerdere planeten
•
Zelfs de atmosferen van exoplaneten zijn gedetecteerd
Planetenstelsels – 3. Exoplaneten (20 februari 2012)
3
historie | direct imaging | astrometrie | RV | transits | microlensing | eigenschappen | exo-aardes | samenvatting
Samenvatting college #3 (2)
Methode
Levert op
Direct imaging*
aproj, Rpl (voor aangenomen A)
Astrometrie*
apl → P, mpl sin i
RV*
apl → P, mpl sin i
Tranits
Rpl, schatting apl, P
Secondaire transit
Tpl, A
Microlensing
mpl, aproj
•
}
ρ
Nauwkeurige analyse van methodes gemerkt met * levert volledige set
baanelementen op.
Planetenstelsels – 3. Exoplaneten (20 februari 2012)
4
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
4. Kleine objecten in het zonnestelsel
•
Definitie van ‘planeet’
•
Baandynamica van kleine objecten
•
•
Herhaling: 3-lichamen probleem
•
Hill straal
•
Resonanties
Niet-gravitationale krachten
•
Stralingsdruk, Poynting-Robertson wrijving, Yarkovski effect
•
Planetoïden, de Kuiper gordel, en kometen
•
Meteorieten
•
Samenvatting
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
5
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Wat is een ‘planeet’?
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
6
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Waarom een definitie?
•
•
Lange tijd was het evident wat een planeet was
•
Mercurius, Venus, (Aarde), Mars, Jupiter, Saturnus
•
later ook: Uranus, Neptunus
Ontdekking van Ceres (een planetoïde) in 1801
•
•
Ontdekking van Pluto in 1930
•
•
Excentrische baan; in 3:2 resonantie met Neptunus; deels binnen baan
van Neptunus
Ontdekking van Kuiper-gordel objecten v.a. 1992
•
•
Nooit echt als planeet gezien. Planetoïden-gordel: uiteengevallen
planeet?
Sommigen even groot of groter dan Pluto (bijv. Eris)
Zijn dit ook allemaal planeten?!?
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
7
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
IAU definitie van ‘planeet’
•
In 2006 besloot de Internationale Astronomische Unie (IAU) in Praag dat
er een definitie moest komen wat wel en wat niet een planeet is
•
Oorspronkelijk voorstel: 12 planeten (en mogelijk veel meer), nl. Mercurius
t/m Pluto + Ceres + Eris + Charon
•
Verworpen door afgevaardigden
•
Alternatieve resolutie, wel aangenomen:
•
1.
Een planeet is een object in een baan rond de zon
2.
Een planeet is rond
3.
Een planeet is groter dan enig ander object in de buurt van zijn baan
Door 3e voorwaarde vallen Ceres, Pluto, Eris, en Charon af.
•
Resultaat 8 planeten
•
Extra klasse van ‘dwergplaneten’ gedefinieerd: voldoen aan 1+2 maar
niet 3: Pluto, Eris, Ceres, ...
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
8
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Waarom is een planeet rond? (1)
•
Hydrostatisch evenwicht: zwaartekracht & opwaartse druk houden elkaar in
evenwicht
Fg +
dP
δr = 0
dr
waarbij
Fg =
P (r + δr)
δr
G M (r) δm
G M (r) Aρ δr
=
r2
r2
Fg
P (r)
met dichtheid ρ(r) en ingesloten massa
! r
M (r) ≡
ρ(r! ) 4πr!2 dr!
0
•
Hieruit volgt
dP
GM (r)
ρ(r)
=−
dr
r2
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
9
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Waarom is een planeet rond? (2)
•
We benaderen ρ(r) ≈ ρ̄
•
d.w.z., de dichtheid varieert niet veel: onsamendrukbaar materiaal
•
•
ok tot factor ~3 voor de aarde
We krijgen dan
dP
GM (r)
ρ̄
=−
dr
r2
•
met M (r) =
4 3
πr ρ̄
3
•
Hieruit volgt
dP
4
= − πG ρ̄2 r
dr
3
•
met de randvoorwaarde dat de druk op het oppervlak 0 is, P (Rp ) = 0
2
volgt als oplossing P (r) = πG ρ̄2 (Rp2 − r2 )
3
•
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
10
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Waarom is een planeet rond? (3)
•
In het centrum van de aarde vinden we dan (Rp=R⊕, ρ=5000 kg m-3)
2
2
P (0) = πG ρ̄2 R⊕
= 1.7 × 1011 N m−2
3
•
Rots wordt vloeibaar bij een druk van ~109 Nm-2
•
d.w.z. op een diepte van ~25 km voor Rp=R⊕
•
(exact: ~50-100 km, de dikte van de aardkorst)
•
→ een planeet zoals de aarde is gevuld met vloeibaar gesteente, dat de
vorm aanneemt van de laagste potentiële energie. Voor een ronde vorm,
bevindt het materiaal zich het dichst bij het centrum → daarom zijn
planeten rond
•
De kritische waarde van ~109 Nm-2 wordt bereikt voor objecten vanaf
~500 km in straal als we een gemiddelde dichtheid van 5000 kg m-3
aannamen. Ceres heeft een straal van 475 km.
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
11
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Wat is er mis met de IAU definitie?
•
Wat klopt er niet aan deze definitie?
1.
Een planeet is een object in een baan rond de zon
2.
Een planeet is rond
3.
Een planeet is groter dan enig ander object in de buurt van zijn baan
•
#1 en #2 zijn intrinsieke eigenschappen
•
#3 is geen intrinsieke eigenschap
•
•
Voorbeeld: Pluto zou een ‘echte’ planeet zijn als Neptunus er niet was
Maar: officiële definitie is irrelevant voor astrofysica
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
12
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Baandynamica van kleine objecten
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
13
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Geen exacte oplossing voor N>2
Uit college 2, Baandynamica
•
De baanbewegingen van 2 lichamen t.g.v. hun onderlinge zwaartekracht
reduceerd tot één vergelijking voor de beweging van een testdeeltje met
gederuceerde massa μ rond het massamiddelpunt
•
6 parameters (‘vijheidsgraden’)
•
4 behouden grootheden (‘integralen’)
•
•
•
totaal hoekmoment: 3
•
totale energie: 1
+ 2 randvoorwaarden: longitude op de epoche en massaverhouding
N lichamen:
•
6N vrijheidsgraden
•
10 integralen (3: hoekmoment, 1:energie, 3:locatie mmp, 3:snelheid mmp)
en N randvoorwaarden (longitudes op de epoche)
•
N=2: 6N=12, 10+N=12 → exact oplosbaar
•
N=3: 6N=18, 10+N=13 → geen exacte oplossing mogelijk!
Planetenstelsels – 2. Baandynamica (13 februari 2012)
14
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Gereduceerd 3-lichamen probleem
Uit college 2, Baandynamica
•
I.h.a. moet voor N>2 de baanoplossing numeriek worden berekend.
•
•
Onderlinge zwaartekracht verstoort de Keplerbanen
•
resultaat: langzame verandering van baanelementen, o.a. precessie
van het perihelion, veranderingen van inclinatie, e.d.
•
gebruik (a,e,ι,Ω,ω) berekend voor relevante tijdstip
Een bijzonder geval is het 3-lichamen probleem waarbij m1≫m3 en m2≫m3
•
Baanbeweging m1 en m2 niet beïnvloed door m3
•
m3 beweegt in gezamelijke, tijdsafhankelijke potentiaal van m1+m2
Planetenstelsels – 2. Baandynamica (13 februari 2012)
15
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Lagrange punten
Uit college 2, Baandynamica
•
Conversie naar roterend frame zodat m1,m2 stil staan
•
Introduceert kunstmatige krachten zoals Coriolis kracht
•
Effect: locaties waar netto kracht =0: Lagrange punten
•
Onstabiel: L1, L2, L3
•
Stabiel: L4, L5
•
Oscilatie rond L4, L5 → hoefijzerbanen
L4
hoefijzerbaan
L3
L2
L1
m2
m1
L5
Planetenstelsels – 2. Baandynamica (13 februari 2012)
16
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Objecten in L4,L5: Trojanen
Uit college 2, Baandynamica
•
De Trojanen zijn planetoïden in L4 en L5 Lagrange punten van Jupiter
L4
L3
L2
L1
m2
m1
L5
Planetenstelsels – 2. Baandynamica (13 februari 2012)
17
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
De Hill straal (1)
•
Afschatting van de afstand waarop de zwaartekracht van een planeet
domineert over die van de zon
•
•
of, algemener, die van een minder zwaar object over die van een
zwaarder object
Definieer afstand waarbinnen de hoeksnelheid van een omloop rond de
planeet groter is dan de hoeksnelheid van een omloop rond de zon
•
D.w.z. de satelliet roteert meerdere malen rond de planeet, in de tijd
dat het de planeet kost om rond de zon te gaan
Ωpl ≥ Ω!
•
2π
4π 2 a3
Met Ω =
en P 2 =
volgt Ω =
P
G(m1 + m2 )
!
G(m1 + m2 )
a3
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
18
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
De Hill straal (2)
•
Voor Ωpl: m1=mp, m2=ms, a=rs (=straal baan satelliet)
•
Voor Ω⊙: m1=M, m2=mp, a≈apl (want apl≫rs)
•
Voor Ωpl > Ω⊙ geldt dus
!
G(mp + ms )
≥
rs3
⇔ rs ≤
•
!
G(M! + mp )
a3pl
! m + m "1/3
p
s
apl ≡ RH
M! + m p
Hill straal
exact, als je getijdenwerking e.d. meeneemt:
"1/3
!
mp
apl ≡ RH
RH =
3(M! + mp )
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
19
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Uit college 2, Baandynamica
Algemeen N-lichamen probleem
•
Alleen numerieke oplossing van banen mogelijk
•
Banen zijn i.h.a. niet gesloten
•
‘Chaotische’ banen in het zonnestelsel
•
De baan van Chiron (een Centaur) evolueert naar verwachting op een
tijdschaal van een miljoen
KARYjaar
AND DONES
•
Baan van een komeet
bij passage van Jupiter:
220
zijaanzicht
•
bovenaanzicht
Als N heel groot is en mi≪M ∀ i → statische benadering van banen in de
gezamelijke (~onveranderlijke) potentiaal
•
bijv. dynamica van ster-banen in de Melkweg
Planetenstelsels – 2. Baandynamica (13 februari 2012)
FIG. 9. Nonrotating frame trajectories of the three long-duration orbiters shown in Fig. 8. The left panel in each figure shows the trajectory
20
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Verstoorde Keplerbanen
•
•
De banen van de planeten en andere objecten in het zonnestelsel worden
als volgt berekend
1.
onafhankelijke Keplerbanen rond de zon
2.
verstoring t.g.v. interactie met andere planeten
3.
verstoring t.g.v. beweging van de zon o.i.v. de overige planeten
Afhankelijk van de begingvoorwaarden
•
regelmatige banen; oscillatie van baanelementen, precessie
klimmende knoop, e.d. ➝ Langdurig stabiele banen(*)
•
of: chaotische banen
•
vaak in de buurt van resonanties
(*) Planeetbanen in ons zonnestelsel zijn
bewezen stabiel op 100 Myr tijdschaal,
een waarschijnlijk zelfs 10x zo lang.
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
21
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Resonanties (1)
•
Voorbeeld: harmonische oscillator, aangedreven met kracht Fd
mẍ2 + mω0 x = Fd cos ωd t
•
Oplossing:
x=
Fd
cos ωd t + cx cos ω0 t + dx sin ω0 t
− ωd2 )
m(ω02
•
Zelfs als Fd klein is, wordt deze term groot als ωd≈ω0
•
Voor ωd=ω0 wordt op oplossing
x=
•
Fd
t sin ω0 t + cx cos ω0 t + dx sin ω0 t
2mω02
d.w.z. lineaire groei i.p.v. oscillatie!
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
22
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Resonanties (2)
•
Voorbeelden in het zonnestelsel
•
PIo:PEuropa:PGanymedes = 4:2:1
•
PNeptunus:PPluto = 3:2
•
PTrojanen:PJupiter = 1:1
•
maan, Pomloop:Protatie = 1:1
•
mercurius, Pomloop:Protatie = 3:2
•
Misschien wel bekendste voorbeeld: Kirkwood gaps in
planetoïdengordel
Soms houden verstoring objecten
in resonantie; in andere gevallen
bewegen de objecten er juist
vandaan.
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
23
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Niet-gravitationele krachten
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
24
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Andere krachten die op kleine objecten werken
•
Naast zwaartekracht zijn er andere krachten die ook van belang kunnen
zijn
•
Drie hiervan hebben te maken met het feit dat fotonen impuls hebben.
Behoud van impuls betekent dan, dat objecten die licht ontvangen,
weerkaatsen of uitzenden, ook een impulsverandering moeten ondergaan.
D.w.z. hun snelheid verandert: er wordt een kracht op uitgeoefend
•
Stralingsdruk: belangrijk voor deeltjes van ~µm
•
Poynting-Robertson wrijving: belangrijk voor deeltjes van ~cm
•
Yarkovski effect: belangrijk voor ‘deeltjes’ van ~km (planetoïden)
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
25
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Stralingsdruk
•
De kracht uitgeoefend door licht (stralingsdruk, radiation force) is gegeven
door
L! A
Frad ≈
Q
4πcr2
•
waar A de doorsnede van het deeltje is en Q een effectiëntie. Q hangt af
van de samenstelling en de grootte van het deeltje in kwestie.
•
De verhouding tussen de stralingsdruk en de zwaartekracht wordt wel
geschreven als
−(1 − β)GmM!
Frad
⇒ Feff = Fg − Frad =
β≡
r2
Fg
•
Uit berekeningen blijkt dat β>1 voor deeltjes van een orde van grootte van
ongeveer een micron
•
Voor β>1 wordt de effectieve zwaartekracht positief! Deeltjes ontsnappen
uit het zonnestelsel
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
26
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Stralingsdruk
•
Voorbeeld: stofstaart van een komeet (McNaught)
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
27
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Poynting-Robertson wrijving
•
Relativistisch effect!
Straling van zon
Uitgezonden straling
Uitgezonden straling
Straling van zon
snelheid deeltje
Ruststelsel deeltje
•
Ruststelsel zon
•
meer impuls uitgezonden in richting van snelheid deeltje
•
deeltje moet dus snelheid verliezen: valt langzaam naar binnen
•
voor deeltjes van een grootte van orde ~cm
•
tijdschaal ~ 400 jr/rAU
Gecombineerd stralingsdruk + PR wrijving
!
!
"
"
!rad ≈ L! AQ 1 − v r̂ − L! AQv 1 − v v̂
F
4πcr2
c
4πc2 r2
c
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
28
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Yarkovski effect
•
Voor objecten van ~km in grootte
•
‘Dagzijde’ is warmer dan ‘nachtzijde’ en zendt dus meer straling uit =
verliest meer impuls = netto kracht van ‘dag’ naar ‘nachtzijde’
koud
netto kracht
warm
•
Als object ook nog om z’n as draait
retrograde
rotatie
prograde
rotatie
•
retrograad: object wordt afgeremd, zal richting zon bewegen
•
prograad: object wordt versneld, zal van de zon weg bewegen
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
29
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
+ andere mogelijke effecten
•
kometen hebben soms geiser-achtige verdamping van ijs
•
•
beïnvloedt baanbeweging
kleine deeltjes ondervinden ook wrijving van deeltjes in de zonnewind
•
<µm deeltjes worden meegesleurd met zonnewind
•
geladen deeltjes bewegen langs de veldlijnen van het magnetisch veld
•
wrijving met gasdeeltjes
•
bijv. in planeet-vormende schijf
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
30
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Planetoïden, de Kuiper gordel, en kometen
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
31
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Waar in het zonnestelsel?
•
Planetoïdengordel tussen de
banen van Mars en Jupiter
•
Maar ook:
•
Rond Lagrangepunten
Jupiter: Trojanen
•
Planetoïden op meer
instabiele banen
•
ook in de buurt van de
aarde
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
32
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Kirkwood gaps
•
Geen plantoïden op banen met een periode in resonantie met die van
Jupiter
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
33
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Grootte-verdeling van planetoïden
•
Aantal planetoïden N als functie van grootte r ongeveer
N (R) ∝ R−3.5
•
d.w.z. kleine plantoïden komen heel veel voor, grote heel weinig
•
~10,000 planetoïden bekend met straal >10 km
•
dus: 100,000 planetoïden met straal tussen 1 en 10 km
•
volgt verwachting van grootte-verdeling als botsingen tussen
planetoïden veel voorkomen
•
totale massa van alle planetoïden samen wordt gedomineerd door de
grootste planetoïden
•
ca. 0.05 aardmassa’s
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
34
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
zie college 3
Hoe meet je de grootte en albedo?
•
Als een planetoïde (of Kuipergordel object) groot genoeg is, kun je direct
de grootte vaststellen m.b.v. een telescoop
•
•
Kleinere objecten kun je in het zichtbaar licht meten, waar weerkaatsing
domineert
2
AL! πRpl
Fpl =
4πa2 d2
2
Bν (Te ) πRpl
en in het infrarood, waar thermische straling domineert Fpl =
d2
•
bij een evenwichtstemperatuur van
•
Hieruit zijn de afmeting Rpl en de albedo A te herleiden als de afstanden d
en a bekend zijn, of de afmeting Rpl en de afstand met een schatting voor
de albedo A
Te = Teff =
! L 1 − A "1/4
!
a2 16πσ
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
35
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Van dichtbij
•
In de afgelopen 10 jaar hebben diverse ruimtemissies opnames van
planetoïden van dichtbij gemaakt, of zijn zelfs op het oppervlak geland
•
resultaten:
Eros
•
onregelmatige vorm
•
sommige zijn letterlijke puinhopen
•
andere vertonen scheuren: moeten redelijke interne sterkte hebben:
brokstukken van een groter object?
•
sommige hebben maantjes
•
samenstelling: rots, diverse mineralen. Komen overeen met
meteorieten in samenstelling.
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
36
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Van dichtbij
•
Ida en maantje Dactyl
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
37
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Van dichtbij
•
Itokawa
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
38
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Banen van kometen
•
1951BAN....11..259O
•
Kort-periode kometen
•
voornamelijk in baanvlak zonnestelsel
•
periode tot honderden of duizenden jaren
Lang-periode kometen
•
willekeurige oriëntatie banen
•
aphelion ver buiten de banen van de planeten
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
39
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
De Oort wolk (1)
•
Plot van 1/a van lange-periode kometen vertoond een smalle piek rond
a~25,000–200,000 AU
•
Oort wolk
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
40
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
De Oort wolk (2)
•
Plot van 1/a van lange-periode kometen vertoond een smalle piek rond
a~25,000–200,000 AU
•
Oort wolk
•
20 nieuwe kometen per jaar in binnendelen zonnestelsel → 1011
kometen in de Oortwolk
•
•
volume zo groot dat onderlinge afstand ~10 AU is!
Banen verstoord door passerende ster
•
>200,000 AU: niet langer gebonden aan de zon
•
<25,000 AU: effect Neptunus groter dan passerende sterren: worden
misschien nooit naar de binnendelen van het zonnestelsel gestuurd...
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
41
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Anatomie van een komeet
•
•
Staart
•
gas-staart: geïoniseerd → volgt
magnetische veldlijnen
•
stof-staart: weggeblazen door
stralingsdruk
Coma
•
•
verdamping ijs (neemt stof
mee)
Kern
•
ijs + stof
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
42
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Kort-periode kometen: de Kuiper gordel
•
•
Kort-periode kometen
•
waarschijnlijk niet lang-periode kometen die zijn “ingevangen” door de
planeten, maar:
•
afkomstig uit de Kuiper gordel
Kuiper-gordel
•
•
~100,000 objecten van >100
km
•
Objecten >2 km zijn samen
~0.1 M⊕
Centaurs
•
Objecten op weg van de
Kuipergordel naar de zon (?)
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
43
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
De Kuiper gordel
•
•
•
Klassieke Kuipergordel
•
a=42-48 AU
•
lage e
In resonantie met Neptunus
•
~100 objecten met a~39.4 AU in 3:2 resonantie met Neptunus
•
incl. Pluto
•
ook wel ‘plutino’s’ genoemd
Verstrooide Kuipergordel
•
grote e
•
perihelion ~35 AU, aphelia ~200 AU of groter
•
voorbeeld: Sedna: perhelion 96 AU, aphelion 1000 AU
•
onbekend aantal
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
44
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
De Kuiper gordel
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
45
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
De Kuiper gordel
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
46
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Meteorieten
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
47
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Tsjeljabinsk inslag: 15/2/2013
•
v~18 km/s
•
diameter ~ 17 m
•
massa ~ 7000-10.000 ton
•
explosie ~ 500 kiloton TNT
~ 30x Hiroshima
•
hoogte explosie ~ 15-20 km
•
frequentie van dergelijke
inslagen ~ paar maal per
eeuw
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
48
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Meteorieten zoeken
•
Soms worden metoerieten getraceerd na afloop van een inslag
•
Maar een veel betere methode is zoeken
•
in een woestijn
•
of op Antarctica
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
49
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Classificatie
•
ijzer-meteorieten
•
steen-meteorieten (99% van de meteorieten op Antarctica)
•
•
waarvan 5% afkomstig van een object dat ooit gesmolten is geweest
•
en 95% materiaal dat nooit gesmolten is geweest
ijzer/steen-meteorieten
ijzer-meteoriet
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
steen-meteoriet
50
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Stof in het zonnestelsel
•
Meteorieten zijn brokstukjes van
planetoïden
•
•
Verschillende sub-klasses van steenmeteorieten kunnen worden herleid tot
individuele planetoïden of een familie van
planetoïden
Bij het opbreken van planetoïden, en het
verdampen van kometen, komt stof vrij
•
Zichtbaar als zodiakaal licht in het
zonnestelsel
•
Recent stof, want stralingsdruk
verwijdert het binnen 50,000 jaar volledig
uit het zonnestelsel.
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
51
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Samenvatting
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
52
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Samenvatting (1)
•
Een planeet (1) beweegt in een baan rond de zon, (2) is rond, en (3) is
groter dan enig ander object in de buurt van zijn baan.
•
Naast 8 planeten, bevat ons zonnestelsel een aantal dwergplaneten
(voldoen aan eis 1+2), en verder planetoïden, kometen, Kuiper-gordel
objecten, en gruis en stof
•
De dynamica van deze ‘kleine objecten’ wordt beschreven d.m.v.
•
•
verstoringen op hun Keplerbanen en i.h.b. resonanties
•
niet-gravitationele krachten (w.o. stralingsdruk, Poynting-Robertson
wrijving, en het Yarkovski effect)
Objecten domineren w.b.t. zwaartekracht tot een z.g. Hill straal
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
53
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Samenvatting (2)
•
Planetoïden bevinden zich door het hele zonnestelsel, maar met name in
de zg. planetoïdengordel tussen de banen van Mars en Jupiter
•
maar niet in de Kirkwood gaps, gegeven door resonanties met de
periode van Jupiter
•
Planetoïden zijn de oorsprong van meteorieten en het zodiakale stof
(samen met kometen)
•
Lang-periode kometen zijn afkomstig uit de Oort wolk, kort-periode
kometen uit de Kuiper gordel
•
De Kuiper gordel bestaat uit een ‘klassieke’ gordel met objecten met lage
excentriciteit, objecten in resonantie met Neptunus, en een populatie van
verstrooide objecten met grote excentriciteit
•
Meteorieten geven direct inzicht in de samenstelling van planetoïden
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
54
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Vragen
•
Schets de locaties in het zonnestelsel waar kleine objecten langdurig op
stabiele banen voorkomen
•
Noem drie niet-gravitationele krachten die van belang zijn voor de
beweging van kleine objecten in het zonnestelsel, en geef daarbij aan voor
welke afmeting van deeltjes deze van belang zijn
•
Beschrijf kort hoe het Yarkovski effect werkt.
•
Wat is de Hill straal?
•
Beschrijf de rol van resonanties in de dynamica van het zonnestelsel
•
Beschrijf de oorsprong van het stof dat zichtbaar is als het zodiakaal licht,
en beargumenteer de relevante tijdschaal voor de dynamica van dit stof.
•
Schets de verschillende onderdelen van een komeet in nabijheid van de
zon. Hoe ziet dezelfde komeet er uit als deze op een afstand van 30 AU
van de zon zou zijn?
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
55
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Geen college en geen
werkcollege op 10 maart!
Over twee weken (maandag 17 maart):
5. Reuzenplaneten
Vanmiddag, 15:45-17:30
Werkcollege in de computerzalen
3e+4e verdieping Huygens
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (3 maart 2014)
56