F7514 Exoplanety 2-Sluneční soustava, planetární soustavy, jejich vznik a vývoj Marek Skarka 23.9.2022 Motivace - otázky Planetární systémy vznikají a vyvíjejí se ● Jak a proč k tomu dochází? Planetární systémy jsou velmi různorodé ● Jak vysvětlit tuto různorodost? ● Jaké fyzikální procesy se uplatňují? Motivace - otázky Planetární systémy vznikají a vyvíjejí se ● Jak a proč k tomu dochází? Planetární systémy jsou velmi různorodé ● Jak vysvětlit tuto různorodost? ● Jaké fyzikální procesy se uplatňují? Neexistuje univerzální teorie, která by dokázala předpovědět jak bude systém vypadat pro dané parametry protohvězdného oblaku Sluneční soustava Sluneční soustava Sluneční soustava Planety obíhají zhruba v jedné rovině a ve stejném smyslu Planety nemají osy rotace kolmé k rovině oběhu! Sluneční soustava Kamenné jádro velikosti terestrických planet + obal z lehčích sloučenin a plynů Jádro z prvků skupiny železa + obal z těžších sloučenin Sluneční soustava objekt r [au] poloměr [RZ ] hmotnost [MZ ] P [rok] hustota [kg/m3 ] excentricita inklinace [°] měsíce Merkur 0.4 0.4 0.06 0.24 5.4 0.205 7.01 0 Venuše 0.7 0.9 0.82 0.62 5.2 0.007 3.39 0 Země 1.0 1.0 1.0 1.0 5.5 0.016 0 1 Mars 1.5 0.5 0.11 1.88 3.9 0.093 1.85 2 Jupiter 5.2 11.2 317.8 11.9 1.3 0.049 1.3 79 Saturn 9.5 9.3 95.2 29.5 0.7 0.057 2.48 82 Uran 19.2 4.0 14.5 84.0 1.3 0.046 0.77 27 Neptun 30.1 3.9 17.2 164.8 1.8 0.009 1.77 14 Měsíce - 4x10-3 -0.4 10-9 -0.025 - ~1-5.5 0-1 0-90 - trpasličí planety 2.3-100 0.15-0.36 0.00015-0.0028 4.6-560 1.8-2.5 0.076-0.44 10-44 ? planetky 2.3-3.3 4x10-3 -0.4 10-10 -0.00015 - ~1-5.5 0-1 0-180 komety ~5-70000 ~1x10-3 ~10-12 ~10-106 ~0.3-0.7 0-1 0-180 - Sluneční soustava Sluneční soustava ● Proč je uspořádání planet jaké je? ● Proč jsou takové rozdíly mezi planetami? ● Proč je rozdílné jejich chemické složení a stavba? ● Proč jsou dráhy velkých těles téměř kruhové? ● Proč obíhají všechna tělesa zhruba ve stejné rovině a ve stejném smyslu? ● Proč jsou rotační osy některých planet skloněny vůči rovině oběhu? Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy ● Architektura Sluneční soustavy je velmi nezvyklá ● Proč nemáme malé terestrické planety nebo velké plynné planety uvnitř dráhy Merkuru? Proč je zde málo planet? Pozor na pozorovací bias! Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy ● Kde se vzali horcí Jupiteři? ● Proč jsou horcí jupiteři osamocení ve svých soustavách (Hord et al. 2021, arXiv:2109.08790) ● Jsou prázdná místa grafu skutečná? Proč je zde málo planet? horcí Jupiteři Pozor na pozorovací bias! Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy Většina exoplanet má větší excentricitu než planety Sluneční soustavy Pozor na pozorovací bias! Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy Pozor na pozorovací bias! Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy Čím větší metalicita, tím více planet všech typů Adibekyan 2019, Geosc, 9, 105 Bryden et al. 2006, ApJ, 636, 1098, Frequency of Debris Disks around Solar-Type Stars: First Results from a Spitzer MIPS Survey Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy Větší hvězdy mají větší obří planety - víc materiálu k tvorbě Pozor na pozorovací bias! Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy Pozor na pozorovací bias! Proč zde nejsou známé exoplanety? Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy Proč některé planety neobíhají po drahách koplanárních s rovníkem hvězdy? Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy Kunimoto&Matthews 2020, AJ, 159, 248 - statistiké modely na základě dat z Keplera Současné statistiky naznačují, že většina planet je větších než Země a obíhají po drahách s periodami mezi 10 a 400 dny Otázky k řešení ● Proč je uspořádání planet Sluneční soustavy (SS) jaké je? ● Je skutečně SS výjimečná ve srovnání s ostatními soustavami? ● Proč jsou takové rozdíly mezi planetami? ● Proč je rozdílné chemické složení planet SS i jejich stavba? ● Proč se obří plynné planety SS nacházejí dále než terestrické planety? ● Proč jsou dráhy velkých těles SS téměř kruhové? ● Proč obíhají všechna tělesa SS zhruba ve stejné rovině? ● Proč planety obíhají ve stejném smyslu? ● Proč jsou rotační osy některých planet SS skloněny a jiných ne? ● Jak vznikají horcí Jupiteři a proč je nemáme ve SS? ● Proč nejsou žádné planety uvnitř Merkurovy dráhy? ● Co definuje horní mez hmotnosti konkrétní planety? ● Proč nejsou známy planety větší a hmotnější než Země v určité vzdálenosti od mateřské hvězdy? ● Proč je více planet u hvězd s vyšší metalicitou? ● Jak moc ovlivňují naše metody naše výsledky? Kolaps mezihvězdného mračna ● Hvězdy vznikají v obřích molekulových mračnech Kolaps mezihvězdného mračna ● Hvězdy vznikají v obřích molekulových mračnech Jeansovo kritérium -> Mrak začne kolabovat pouze pokud je teplota dostatečně nízká a hustota vysoká. Pro T~20 K a n~100 cm-3 je M~1000 Ms Kolaps mezihvězdného mračna ● Hvězdy vznikají v obřích molekulových mračnech Kolaps mezihvězdného mračna ● Do centrálních oblastí padá volným pádem hmota, oblast se stává neprůhlednou a zahřívá se ● Mrak se při smršťování roztáčí díky zákonu zachování momentu hybnosti -> vznik disku, zpomalení přísunu hmoty do centrálních oblastí ● Do centrálních oblastí padá volným pádem hmota, oblast se stává neprůhlednou a zahřívá se ● Mrak se při smršťování roztáčí díky zákonu zachování momentu hybnosti -> vznik disku, zpomalení přísunu hmoty do centrálních oblastí Kolaps mezihvězdného mračna Složka síly směřující k rovině oběhu -> materiál se sdružuje v disku ● Do centrálních oblastí padá volným pádem hmota, oblast se stává neprůhlednou a zahřívá se ● Mrak se při smršťování roztáčí díky Zákonu zachování momentu hybnosti -> vznik disku, zpomalení přísunu hmoty do centrálních oblastí Kolaps mezihvězdného mračna ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. Vznik planet ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. Vznik planet Sicilia-Aguilar 2016, PASA, 33, 59 IR exces ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. ● Centrální horké oblasti jsou zbaveny lehkých sloučenin a lehkých prvků, které jsou odsunuty do okrajových částí ● Kondenzují první prachová zrnka, která se dále spojují Vznik planet ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. ● Centrální horké oblasti jsou zbaveny lehkých sloučenin a lehkých prvků, které jsou odsunuty do okrajových částí ● Kondenzují první prachová zrnka, která se dále spojují Vznik planet prach zrnka planetesimály planetární jádra planety 10-7 -10-3 m 10-3 -101 m 101 -103 m 103 -106 m >106 m 10-1 yr 101 -102 yr 104 -105 yr >106 yr ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. ● Centrální horké oblasti jsou zbaveny lehkých sloučenin a lehkých prvků, které jsou odsunuty do okrajových částí ● Kondenzují první prachová zrnka, která se dále spojují Vznik planet prach zrnka planetesimály planetární jádra planety 10-7 -10-3 m 10-3 -101 m 101 -103 m 103 -106 m >106 m 10-1 yr 101 -102 yr 104 -105 yr >106 yr Öberg&Bergin 2020, arXiv:2010.03529 Vznik planet ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. ● Centrální horké oblasti jsou zbaveny lehkých sloučenin a lehkých prvků, které jsou odsunuty do okrajových částí ● Kondenzují první prachová zrnka, která se dále spojují Öberg&Bergin 2020, arXiv:2010.03529Chemické složení zárodečného mraku stejné jako složení chondritů V disku i složitější molekuly Vznik planet ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. ● Centrální horké oblasti jsou zbaveny lehkých sloučenin a lehkých prvků, které jsou odsunuty do okrajových částí ● Kondenzují první prachová zrnka, která se dále spojují Snow line, cca 3 au ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. ● Centrální horké oblasti jsou zbaveny lehkých sloučenin a lehkých prvků, které jsou odsunuty do okrajových částí ● Kondenzují první prachová zrnka, která se dále spojují ● Terestrické planety ○ Vznik v horkých oblastech, husté prvky, malé hmotnosti planet ○ Sekundární atmosféry ○ Až 108 let ● Plynní obři ○ Ve vnějších oblastech, efektivnější spojování prachových zrn díky ledu, postupné nabalení okolního plynu, vznik primární atmosféry ○ cca 3x106 let - pak nedostatek plynu Vznik planet Öberg&Bergin 2020, arXiv:2010.03529 Hillova sféra - převládne gravitace planety vzdálenost ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. ● Centrální horké oblasti jsou zbaveny lehkých sloučenin a lehkých prvků, které jsou odsunuty do okrajových částí ● Kondenzují první prachová zrnka, která se dále spojují ● Terestrické planety ○ Vznik v horkých oblastech, vysoké hustoty, malé hmotnosti ○ Sekundární atmosféry ○ Až 108 let ● Plynní obři ○ Ve vnějších oblastech, efektivnější spojování prachových zrn díky ledu, postupné nabalení okolního plynu, vznik primární atmosféry ○ cca 3x108 let - pak nedostatek plynu Vznik planet ● Obří planety mohou vznikat i alternativní cestou přes gravitační nestability v disku Vznik planet Currie et al. 2022, NatAs, 6, 751 ● Obří planety mohou vznikat i alternativní cestou přes gravitační nestability v disku Vznik planet Safronov-Toomreho nestabilita: Pro vzdálenost 10 au: cs ~0.5 km/s. Pro Q~1 je Σ~1500 g/cm-2 , hustota materiálu je ale jen Σ~54 g/cm-2 Tento proces může fungovat jen ve velmi hmotných a hustých discích Currie et al. 2022, NatAs, 6, 751 ● Vlivem tření dochází k migraci planetesimál směrem k centru soustavy Vývoj soustav ● Vlivem tření dochází k migraci planetesimál směrem k centru soustavy ● Srážky mohou vést k destrukci či vychylování těles - různý sklon rotačních os planet a jejich oběžných drah, vznik Měsíce Vývoj soustav ● Vlivem tření dochází k migraci planetesimál směrem k centru soustavy ● Srážky mohou vést k destrukci či vychylování těles - různý sklon rotačních os planet a jejich oběžných drah, vznik Měsíce ● Gravitační ovlivňování může vést k migraci planet (horcí Jupiteři, prohození drah Uran-Neptun), zachycování těles (měsíce), velkému bombardování Vývoj soustav ● Vlivem tření dochází k migraci planetesimál směrem k centru soustavy ● Srážky mohou vést k destrukci či vychylování těles - různý sklon rotačních os planet a jejich oběžných drah, vznik Měsíce ● Gravitační ovlivňování může vést k migraci planet (horcí Jupiteři, prohození drah Uran-Neptun), zachycování těles (měsíce), velkému bombardování Vývoj soustav Tsiganis et al. 2005, Nature, 435, 26 ● Vlivem tření dochází k migraci planetesimál směrem k centru soustavy ● Srážky mohou vést k destrukci či vychylování těles - různý sklon rotačních os planet a jejich oběžných drah, vznik Měsíce ● Gravitační ovlivňování může vést k migraci planet (horcí Jupiteři, prohození drah Uran-Neptun), zachycování těles (měsíce), velkému bombardování ● Rezonance mohou vést k migraci či uzamknutí těles na určitých drahách (pás asteroidů, Trojané) Vývoj soustav Trojané (zeleně, 1:1) Hilda (fialová, 3:2) ● Vlivem tření dochází k migraci planetesimál směrem k centru soustavy ● Srážky mohou vést k destrukci či vychylování těles - různý sklon rotačních os planet a jejich oběžných drah, vznik Měsíce ● Gravitační ovlivňování může vést k migraci planet (horcí Jupiteři, prohození drah Uran-Neptun), zachycování těles (měsíce), velkému bombardování ● Rezonance mohou vést k migraci či uzamknutí těles na určitých drahách (pás asteroidů, Trojané) Vývoj soustav Proč jsou některé dráhy stabilní a jiné ne? ● Vlivem tření dochází k migraci planetesimál směrem k centru soustavy ● Srážky mohou vést k destrukci či vychylování těles - různý sklon rotačních os planet a jejich oběžných drah, vznik Měsíce ● Gravitační ovlivňování může vést k migraci planet (horcí Jupiteři, prohození drah Uran-Neptun), zachycování těles (měsíce), velkému bombardování ● Rezonance mohou vést k migraci či uzamknutí těles na určitých drahách (pás asteroidů, Trojané) Vývoj soustav Co hraje roli: - Kompaktnost systému - Excentricita dráhy - Velikost přiblížení - Blízkost rezonance s jiným tělesem Proč jsou některé dráhy stabilní a jiné ne? Vývoj soustav ● Vlivem tření dochází k migraci planetesimál směrem k centru soustavy ● Srážky mohou vést k destrukci či vychylování těles - různý sklon rotačních os planet a jejich oběžných drah, vznik Měsíce ● Gravitační ovlivňování může vést k migraci planet (horcí Jupiteři, prohození drah Uran-Neptun), zachycování těles (měsíce), velkému bombardování ● Rezonance mohou vést k migraci či uzamknutí těles na určitých drahách (pás asteroidů, Trojané) ● Blízké hvězdy mohou odfouknout atmosféry planet (např. HD 209458 b) Otázky k řešení ● Proč je uspořádání planet Sluneční soustavy (SS) jaké je? ● Je skutečně SS výjimečná ve srovnání s ostatními soustavami? ● Proč jsou takové rozdíly mezi planetami? ● Proč je rozdílné chemické složení planet SS i jejich stavba? ● Proč se obří plynné planety SS nacházejí dále než terestrické planety? ● Proč jsou dráhy velkých těles SS téměř kruhové? ● Proč obíhají všechna tělesa SS zhruba ve stejné rovině? ● Proč planety obíhají ve stejném smyslu? ● Proč jsou rotační osy některých planet SS skloněny a jiných ne? ● Jak vznikají horcí Jupiteři a proč je nemáme ve SS? ● Proč nejsou žádné planety uvnitř Merkurovy dráhy? ● Co definuje horní mez hmotnosti konkrétní planety? ● Proč nejsou známy planety větší a hmotnější než Země v určité vzdálenosti od mateřské hvězdy? ● Proč je více planet u hvězd s vyšší metalicitou? ● Jak moc ovlivňují naše metody naše výsledky? ● Proč je uspořádání planet Sluneční soustavy (SS) jaké je? ● Je skutečně SS výjimečná ve srovnání s ostatními soustavami? ● Proč jsou takové rozdíly mezi planetami? ● Proč je rozdílné chemické složení planet SS i jejich stavba? ● Proč se obří plynné planety SS nacházejí dále než terestrické planety? ● Proč jsou dráhy velkých těles SS téměř kruhové? ● Proč obíhají všechna tělesa SS zhruba ve stejné rovině? ● Proč planety obíhají ve stejném smyslu? ● Proč jsou rotační osy některých planet SS skloněny a jiných ne? ● Jak vznikají horcí Jupiteři a proč je nemáme ve SS? ● Proč nejsou žádné planety uvnitř Merkurovy dráhy? ● Co definuje horní mez hmotnosti konkrétní planety? ● Proč nejsou známy planety větší a hmotnější než Země v určité vzdálenosti od mateřské hvězdy? ● Proč je více planet u hvězd s vyšší metalicitou? ● Jak moc ovlivňují naše metody naše výsledky? Otázky k řešení