Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Τμήμα Φυσικής ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ. Κλεομένης Τσιγάνης

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Τμήμα Φυσικής ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Κλεομένης Τσιγάνης Σεμινάριο στα πλαίσια του Μαθήματος Εισαγωγή στην Αστρονομία (τμ. Λ. Βλάχου), Νοέμβριος 2009

Εξερεύνηση του ηλιακού συστήματος 1958: Εκτόξευση του Sputnik (CCCP) 60-80: Αποστολές Apollo (USA) >2.000 διαστημικές αποστολές! Βασικά ερωτήματα: Πώς δημιουργήθηκε το ηλιακό σύστημα; Γιατί οι τροχιές των πλανητών, κομητών, αστεροειδών κ.λ.π είναι αυτές που είναι;

Κοσμογονία (συνοπτικά...)

Πρωτοπλανητικοί δίσκοι: Διαστάσεις: Ηλικία: Μάζα: ~30-200 AU < 10 My ~ 0.1 Μ*

Χρονολόγιο του Ηλιακού Συστήματος: Φάση 1η: καθίζηση στερεών υλικών στο μεσο-επίπεδο του δίσκου (t~100,000 έτη) Φάση 2η: Εξέλιξη του πρωτοπλανητικού δίσκου Σχηματισμός μικρών πλανητοειδών (1-2 km) και πρωτοπλανητών... * Σε t<107 έτη, το αέριο εξαφανίζεται L = 20-30 Lꙩ UV photoevaporation Οι γίγαντες πλανήτες (Δίας, Κρόνος, Ουρανός, Ποσειδώνας) πρέπει να φτιαχτούν μέσα σε t<107 χρόνια Πιο κοντά στον Ήλιο!!! Φάση 3η: δημιουργία των εσωτερικών, γήινων (στερεών) πλανητών (Γεωλογία t < 108 έτη), μεταφορά νερού, κ.α. Φάση 4η: Δυναμική ωρίμανση του συστήματος τελική κατανομή τροχιών πλανητών, αστεροειδών κ.,λ.π., δημιουργία Σελήνης...

Πώς μελετούμε αυτές τις διαδικασίες; 1. Επιλογή φυσικού μοντέλου: π.χ., στη Φάση 1 χρειαζόμαστε εξισώσεις που να περιγράφουν, βαρυτικές αλληλεπιδράσεις, υδροδυναμικές (μη ιδανικές), μαγνητικές, διάδοση ακτινοβολίας... 2. Επιλογή μεθόδου (πολλές φορές αναγκαστική...): Αναλυτικές προσεγγίσεις, αριθμητική προσομοίωση,? 3. Παραγωγή αποτελεσμάτων παρατηρήσιμες ποσότητες 4. Έλεγχος αποτελεσμάτων σύγκριση με παρατηρήσεις (τι πήρα, τι δεν πήρα...)

Τι είναι η αριθμητική προσομοίωση;

Τι είναι η αριθμητική προσομοίωση; Δεν είναι ούτε μαγεία ούτε καλλιτεχνική αναπαράσταση!!! Οι ερευνητές δεν είναι τερατόμορφα πλάσματα που δουλεύουν για λογαριασμό σκοτεινών δυνάμεων σε μυστικά υπόγεια!!!

Τι είναι η αριθμητική προσομοίωση; Δεν είναι ούτε μαγεία ούτε καλλιτεχνική αναπαράσταση!!! Οι ερευνητές δεν είναι τερατόμορφα πλάσματα που δουλεύουν για λογαριασμό σκοτεινών δυνάμεων σε μυστικά υπόγεια!!! Είναι: η επίλυση των σχετικών εξισώσεων, με τη χρήση μεθόδων αριθμητικής ανάλυσης, σε Η/Υ (για να γίνει γρήγορα και να έχουμε εποπτική αναπαράσταση των δεδομένων). Βήμα 1ο: επιλογή του φυσικού μοντέλου (π.χ. πρόβλημα 3 σωμάτων με Νευτώνεια βαρύτητα + Βήμα 2ο: επιλογή της μεθόδου προσεγγιστικής επίλυσης των εξισώσεων (π.χ. Δ.Ε.) Βήμα 3ο: επιλογή των αρχικών τιμών των παραμέτρων, συντεταγμένων κ.λ.π. Βήμα 4ο: συγγραφή κώδικα μετατροπή του αλγορίθμου επίλυσης σε σειρά εντολών, γραμμένο σε κάποια γλώσσα προγραμματισμού Βήμα 5ο: εκτέλεση και παρουσίαση των αποτελεσμάτων.

Παράδειγμα: 1 Βήμα 1: v 2 GM o 1 r r ' H q, p = G m ' 3 2 r r r ' r ' q = Βήμα 2: H p p = H q H q t = q 0 p Βήμα 3ο: π.χ. AstDys 4, Βήμα 4ο: Πρώτα 2 H Δt p2 0 0 Δt 2... 2 http://hamilton.dm.unipi.it/cgi-bin/astdys εκτέλεσε τα προηγούμενα 3 βήματα IF ((Βήμα 1 - Βήμα 3).ne. TRUE) THEN GOTO 1 ELSE GOTO 4 ENDIF

Παράδειγμα (Φάση 3): σχηματισμός των Γήινων πλανητών Προϋπόθεση: Φάση 2 επιτυχής! * σχηματισμός πλανητοειδών (M ~ αστεροειδούς D =1-10 km) * ταχεία προσαύξηση μάζας έμβρυα (M<MΆρη ) Τι περιμένουμε; - Βαρυτική αλληλεπίδραση με το Δία αποσταθεροποίηση τροχιών - Συγκρούσεις προσαύξηση μάζας - Σχηματισμός λίγων πλανητών με τις σωστές θέσεις, μάζες και τροχιές - Διάρκεια διαδικασίας ~ 100 εκ. ετών

Πίσω στη Φάση 2: πώς έφτασαν οι γίγαντες στις σημερινές τροχιές τους; Μετανάστευση πλανητών

Fernandez and Ip (1984)

Oort Cloud (15%)

~1%

Ejected!

Πρόβλημα #1: οι τελικές τροχιές των πλανητών είναι κυκλικές Πρόβλημα #2: αν όλα διήρκεσαν <108 yr, τι προκάλεσε τον...

Όψιμος Σφοδρός Βομβαρδισμός (Late Heavy Bombardment) Μία σύντομη περίοδος σφοδρότατου βομβαρδισμού του εσωτερικού ηλιακού συστήματος από αστεροειδείς και κομήτες πριν από ~ (3.9±0.1) Gyrs, ~ 700 My μετά τη δημιουργία των πλανητών. Πετρολογικά δεδομένα (Apollo, etc.) δείχνουν: Ίδια ηλικία για 12 διαφορετικά σημεία πρόσκρουσης Συνολική μάζα βλημάτων ~ 6x1021 g οφείλεται (κυρίως) σε αστεροειδείς της κύριας ζώνης (2005) Χρειαζόμαστε μια (ή δύο) μεγάλη πηγή σωμάτων, άθικτη για ~700 Myr και κάποια αστάθεια που θα οδηγήσει στο σφοδρό βομβαρδισμό του εσωτερικού ηλιακού συστήματος

Ήταν ομαλή η μετανάστευση των πλανητών;

Συντονισμός 1:2 (Δίας Κρόνος) Ομαλή μετανάστευση (e,sini < 0.01) για ~880 My Ο Δίας και ο Κρόνος διασχίζουν το συντονισμό 1:2 αύξηση της εκκεντρότητας Χαοτική σκέδαση των U,N και S (~2 My) αύξηση της κλίσης της τροχιάς

Το μόνο μοντέλο μέχρι σήμερα που ερμηνεύει: (α) τις τροχιές και των 4 μεγάλων πλανητών... Tsiganis et al. (2005), Nature, 435.

(β) τη χρονική υστέρηση, διάρκεια και ένταση του LHB Gomes et al. (2005), Nature, 435.

(γ) την προέλευση (φάσμα), συνολική μάζα και κατανομή τροχιών των Τρωικών αστεροειδών Morbidelli et al. (2005), Nature 435.

(δ) Τη μικρή συνολική μαζα και την κατανομή τροχιών των σωμάτων της ζώνης Kuiper (Levison et al. 2007)

(ε) Το πλήθος και την κατανομή τροχιών των μηκανονικών δορυφόρων Κρόνου, Ουρανού και Ποσειδώνα Nesvorny et al. (2007) Astron. J

(ζ) την ύπαρξη ανενεργών κομητών στην εξωτερική ζώνη των αστεροειδών Levison et al. (2009) Nature