Upload
elgin
View
63
Download
5
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Vznik a vývoj Slnečnej sústavy. Mgr. Marek Husárik , PhD. Astronomický ústav SAV, Tatranská Lomnica. CASU 2012 28. apríl 2012. Za podpory projektu APVV LPP-0078-09 „Objavuj vesmír, tvoj domov“. Obsah. Teórie o pôvode Slnečnej sústavy Fázy vývoja Globula , praslnko , T Tauri - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Vznik a vývoj Slnečnej sústavy
Mgr. Marek Husárik, PhD.Astronomický ústav SAV, Tatranská Lomnica CASU 2012
28. apríl 2012
Za podpory projektu APVV LPP-0078-09 „Objavuj vesmír, tvoj domov“
Obsah Teórie o pôvode Slnečnej sústavy
Fázy vývoja Globula, praslnko, T Tauri Slnko, planéty, mesiace, asteroidy, kométy Migrácie planét
Budúcnosť Slnečnej sústavy
Odporúčaná literatúra
Kozmológia, kozmogónia,... kozmológia
zaoberá sa všeobecnými problémami štruktúry, vývoja a zákonitostí vesmíru, konečnosťou či nekonečnosťou priestoru a času
kozmogónia vznik a vývoj jednotlivých nebeských telies a iných kozmických
objektov --- planetárna kozmogónia ---
vznik a vývoj planét a menších telies planetárnej sústavy hviezdna kozmogónia
vývoj hviezd, viacnásobných hviezdnych systémov, hviezdokôp a galaxií.
Otázky „prečo?“ na planetárnu kozmogóniu1. Slnko je v centre sústavy2. Dráhy planét sú takmer v jednej rovine a paralelné s ekliptikou3. Dráhy planét sú takmer kruhové4. Planéty obiehajú v tom istom smere ako rotuje Slnko5. Väčšina planét rotuje okolo osi v priamom smere6. Väčšina mesiacov obieha okolo planéty v rovnakom smere ako
planéty okolo Slnka, aj rotujú okolo osi v tom smere ako planéty7. Planéty majú 98% uhlového momentu sústavy, ale len 0,15% z
celkovej hmoty8. Terestrické a plynné planéty vykazujú výrazné fyzikálne a
chemické rozdiely9. Planéty sa podobajú so svojimi mesiacmi na miniatúrne Slnečné
sústavy10. Atď. atď.
Jeden obrázok alebo tisíc slov?
Rané teórie o vzniku Slnečnej sústavy Prvé predstavy snáď už pred tisíckami rokov Náboženstvá vysvetľovali vznik Zeme a planét odlišne,
ale na vzniku vesmíru sa zhodovali vznikol v priebehu pár dní, bol konečný a nemenný bez vývoja
Modernejšie predstavy 17. storočie – René Descartes (1596–1650)
Vznik vesmíru bez zásahu nadprirodzenej bytosti
Vesmír bol len chaos, v ktorom pohyb vytvárali víry. V nich sa hromadila hmota, z ktorej sa tvorili hviezdy aj Slnko
17. storočie – Isaac Newton (1643–1727) Objavením gravitačného zákona Descartove
predstavy zrušil
Modernejšie predstavy 18. storočie – Georges-Louis Leclerc,
Comte de Buffon (1707–1788) Prelet obrovskej kométy okolo Slnka,
vymrštenie prúdu slnečnej látky do priestoru – sformovanie planét Ale ako vzniklo Slnko a kométy?
Populárne katastrofické teórie v 19. storočí Moulton a Jeans uvažovali namiesto kométy
hviezdu Ale ako sa sformoval planetárny systém?
Modernejšia a reálna predstava 18. storočie – Immanuel Kant (1724–1804)
Otec nebulárnej hypotézy Slnečná sústava sa zrodila z veľkej rotujúcej
hmloviny. Planéty sa tvoria z prachu a plynu okolo každej mladej hviezdy
Pierre Simone de Laplace (1749–1827) Kantove myšlienky podporil fyzikou a
matematikou
Prečo práve nebulárna hypotéza? V roku 1988 na palube Discovery prebehol experiment –
zrniečka prachu vo vzduchotesnej komore sa zhlukovali do retiazok
Hubblov ďalekohľad objavil mladé hviezdy v M42 v Orióne a okolo nich zárodky planetárnych diskov
...
Etapy vývoja Slnečnej sústavy
Čo potrebujeme na úvod tvorby Slnečnej sústavy? Vesmír Dostatok priestoru – Galaxiu (Mliečnu cestu) Dostatok času – aspoň 4,6 miliardy rokov Nejaký materiál. Najlepšie použitý, vyvrhnutý prastarými
hviezdami a obohatený už o ťažšie prvky
Fáza zárodočnej hmloviny Prachoplynové medzihviezdne mračno s
rozmermi 50–100 svetelných rokov Asi 30 tisíc svetelných rokov od centra
Galaxie Hustota mračna približne 10-20 kg m-3
Teplota -250 stupňov C
Mračno sa asi pre 7 mld. rokov zmršťovaním rozpadlo na menšie globule s rozmermi 1–3 sv. rokov
Samotné globule sa zmršťujú do hustejších jadier s rozmermi od 2000 do 20 000 AU a s hmotnosťami od 0,1 do 10 hmotností Slnka (73% hm. globule)
Fáza zárodočnej hmloviny Výrazná dominancia vodíka (98%) – plyn Hélium a stopy uhlíka, sodíka, kyslíka a kremíka – prach
– pozostatok starých hviezd Teplota -250 stupňov C dovoľuje spájanie atómov vodíka
do párov Spájaniu dopomohol pravdepodobne impulz zvonka –
výbuch supernovy alebo blízky prechod masívnej hviezdy pred asi 4,6 mld. rokov
Tu začína zrod Slnka a planét
Fáza formovania Zmršťovanie globuly pokračuje Vytvára sa centrálna hustejšia oblasť, tzv. slnečný
inkubátor Prejavuje sa už rotácia centra Centrum sa prejavuje čoraz viac gravitačne – okolitý
materiál padá voľným pádom smerom do stredu hustejšej oblasti
Rotácia narastá a gravitačná energia sa mení na žiarenie a teplo (v centre asi 2000 stupňov C)
POZOR! Toto ešte nie je Slnko, ale praslnko (protoslnko), kde neprebieha žiadna nukleosyntéza (fúzia vodíka)
Praslnko
Fáza formovania Odstredivá sila formuje
globulu do protoplanetárneho disku, tzv. proplydu s rozmerom asi 200 AU
Ešte stále tu nemáme planéty!
Praslnko je omnoho väčšie ako dnešné Slnko, neustále sa zmršťuje a zohrieva na 10 tisíc C
Fáza formovania: formovanie Slnka Molekuly vodíka sa štiepia na jednotlivé atómy – dôležitý
krok vo vývoji budúceho Slnka Praslnko žiari vďaka vysokej teplote, ale stále nie vďaka
fúzii vodíka Prenos žiarenia sa deje najmä konvekciou (tá existuje na
Slnku aj dnes v tzv. konvektívnej zóne) Mohutné prúdy praslnečnej plazmy ovplyvňujú ďalšie
formovanie okolia
Fáza formovania: formovanie SlnkaT Tauri fáza Táto fáza vývoja praslnka začína asi 3
mil. rokov od oddelenia globuly od mračna, resp. 1 mil. rokov od zmršťovania globuly
Kolaps praslnka pokračuje Veľkosť praslnka dosahuje asi 100
mil. kilometrov (po dráhu Merkúra) Teplota v praslnku narásla na asi 5
mil. stupňov, povrch zahriaty na približne 4500 stupňov
Rotuje rýchlosťou 1 otočka za 8 dní
Fáza formovania: formovanie SlnkaT Tauri fáza Aktivita praslnka je riadená
najmä silným magnetickým poľom pochádzajúcim z ionizovaného plynu vo vnútri
Magnetické pole prečesáva okolitý disk a strháva hmotu na svoj povrch – mohutné vzplanutia na povrchu praslnka
Na povrchu prítomné škvrny, ktoré zaberali aj 10% povrchu (dnes len 1%)
Fáza formovania: formovanie SlnkaT Tauri fáza Enormný vplyv praslnečného
vetra s rýchlosťou až 200 km s-1
únik v smere disku únik v smere kolmom na disk
(objekty Herbig-Haro)
Praslnko sa stabilizuje, kontrakcia ale prebieha naďalej, bude to trvať 10tky mil. rokov (najpomalšia fáza)
Fáza formovania: Slnko ako hviezda hlavnej postupnosti 30–50 mil. rokov od odtrhnutia
globule Teplota v jadre praslnka 15 mil.
stupňov jadrá vodíka (protóny) sa zrážajú aj
napriek odpudivým elekt. silám tvorí sa hélium (prednáška A.Kučeru, CASU 2011)
Gravitačná kontrakcia konečne dostáva protiváhu – tlak žiarenia Stav hydrostatickej rovnováhy Praslnko sa dostalo na tzv. hlavnú
postupnosť, stabilná hviezda typu G2V
VZNIKLO SLNKO
Vráťme sa späť a vytvorme planéty
Fáza vyparovania a kondenzácie Asi 2 mil. rokov po odtrhnutí
globuly od mračna Praslnečná globula je bohatá na
rôzne prvky H (98%), He, C, N, O,... molekuly
H2O, NH3, CH4,... Si, kovy
Blízko praslnka teplota dosahuje tisícky stupňov čím ďalej, tým prežívajú ľahšie prvky (Si, Mg, Al) – z nich
vznikajú prachové zrná (do vzdialenosti 700 mil. km, tj. 4,5 AU) najľahšie prvky (H, He) prežívajú až vo vzdialenosti 5 AU (tzv.
snow line), kde je teplota okolo -70 stupňov C. Sú tu prítomné aj H2O, NH3, CH4
Fáza vyparovania a kondenzácie Z ťažších prvkov kondenzujú terestrické planéty, z
ľahších plynné Prachové zrná sa pohybujú rýchlosťami > 10 km s-1, no
relatívne voči sebe pomaly zrážky sú nevyhnutné, ale nie deštrukčné!
prebieha aglomerácia do väčších celkov
Fáza tvorby planetezimál Pokračuje aglomerácia prachových zŕn, no zároveň zrážky
celkov sú častejšie Po niekoľkých tisíckach rokov sa vytvorili aj nepravidelné
kilometrové konglomeráty – planetezimály dnes ich nájdeme v Kuiperovom páse alebo ako mesiace
plynných joviálnych planét
Fáza tvorby planét Rastúca veľkosť planetezimál verzus rastúca gravitácia Za asi 10–100 tisíc rokov sa postupne pozliepalo
obrovské množstvo telies s rozmermi od 500 do 1000 km – protoplanéty na to sa spotrebovalo ale málo pôvodnej hmoty, veľa zostalo vo
forme menších planetezimál, medziplanetárneho prachu a plynu Protoplanéty bombardované okolitým materiálom +
rozpad rádioaktívnych prvkov (26Al s polčasom 717 tisíc rokov) – roztavenie a diferenciácia ťažšie prvky do stredu, ľahšie na povrch tvorba kôry a prvotnej atmosféry
Fáza tvorby planét Za hranicou 5 AU prebieha tvorba plynných planét Vďaka 10x účinnejšej adhézii ľadov a plynu je proces
vzniku plynnej planéty rýchlejší ako terestrickej Jupiter vznikol najskôr. Saturnu, Uránu a Neptúnu trvala
tvorba niekoľkokrát dlhšie Praslnko sa dostáva do fázy T Tauri a odfukuje plyn preč
z rodiacej sa sústavy Končí sa tvorba plynných planét po asi 10 mil. rokoch od
odtrhnutia zárodočnej globuly
Fáza intenzívneho bombardovania Pomer prachu k plynu sa výrazne zvýšil Formovanie terestrických planét ešte pokračuje (asi 100 –
1300 mil. rokov po vzniku zárodočnej globuly) Okolie stále bohaté na fragmenty a tie sú gravitáciou
terestrických planét a ich mesiacov priťahované Bombardovanie vyvrcholilo asi pred 4 mld. rokov
dôsledky dodnes badateľné vo forme impaktných kráterov
Fáza intenzívneho bombardovania Po slabnúcom bombardovaní
terestrické planéty chladnú a nastáva čas, aby si vytvorili atmosféry
Odkiaľ ju zoberú? Zo seba samých!
Všetky horniny obsahujú stopy H2O, CO, CO2 a teplom planéty sa uvoľňujú
Pravdepodobne aj kométy dodávajú H2O, CO, CO2
Slnko a planéty sme vytvorili
a čo ďalej?
Migrácia planét Donedávna sa predpokladalo, že
planéty sa sformovali tam, kde sú dnes Objavy exoplanét dokazujú, že tieto
obiehajú v takých vzdialenostiach okolo svojich hviezd, v ktorých sa podľa teórie protoplanetárneho disku nemohli sformovať!
Súčasné modely tvorby planét si pomáhajú tzv. migráciou planét, tj. postupným špirálovitým pohybom smerom k/od Slnka Migrácia je výsledkom vzájomného
pôsobenia planét a plynného disku resp. planét a planetezimál nachádzajúcich sa v protoplanetárnom disku.
Migrácia planét: Nicejský model Jupiter, Saturn, Urán a Neptún sa nachádzali v oveľa
kompaktnejšej konfigurácii (asi vo vzdialenostiach od 5,5 do 15 AU) než dnes
Za ich dráhami sa rozprestieral veľký hustý disk malých kamenných a ľadových planetezimál, ktorých celková hmotnosť bola asi 35 hmotností Zeme
Výsledkom mnohých vzájomných interakcií medzi planetezimálmi a planétami (pri zachovaní momentu hybnosti celej sústavy) dochádzalo k migrácii planét
Saturn, Urán, Neptún sa posúvali smerom von (na vzdialenejšie dráhy) a Jupiter naopak smerom dnu (bližšie k Slnku)
Počas niekoľkých miliónov rokov sa týmto spôsobom dráhy Jupitera a Saturna zmenili natoľko, že sa dostali do vzájomnej dráhovej rezonancie 2:1 (dĺžka obehu Saturna okolo Slnka je v porovnaní s dĺžkou obehu Jupitera dvojnásobná)
Migrácia planét: Nicejský model Vplyvom dráhovej rezonancie sa postupne zvyšovala
výstrednosť (excentricita) ich dráh – destabilizácia celého planetárneho systému Saturn bol vytlačený smerom von do vzdialenejších oblastí (až
na svoju terajšiu dráhu) a svojou gravitáciou narušil dráhy ľadových obrov, t.j. Uránu a Neptúna
Rozrušil sa úplne disk planetezimál na okraji planetárneho disku a mnoho z nich sa dostalo aj do vnútornej časti sústavy – obdobie tzv. intenzívneho bombardovania
Migrácia planét: Nicejský model Planéty sa postupne usadili na veľmi málo výstredných a
stabilných dráhach, po ktorých sa pohybujú dodnes. Terajšia konfigurácia je teda výsledkom viacerých
dynamických procesov počas doterajšieho vývoja v našej Slnečnej sústave.
Model má však nedostatky! Prečo pozorujeme v hlavnom páse asteroidov dva veľmi odlišné
typy – skalnaté asteroidy a uhlíkaté asteroidy? Prečo je hmotnosť Marsu tak malá, keď sa formoval v oblasti
kde bolo dosť materiálu na sformovanie aj oveľa väčšej planéty (možno až 10 krát väčšej)?
Tu sú odpovede
Migrácia planét: vynovený Nicejský model Jupiter sa sformoval vo vzdialenosti asi 3,5 AU, ale kvôli silnému
vplyvu množstva plynu, ktorý sa v tejto oblasti nachádzal, pomaly špirálovým pohybom smeroval k Slnku do vzdialenosti asi 1,5 AU (do oblasti kde sa dnes nachádza práve Mars)
Podobne aj Saturn sa kvôli interakcii s okolitým plynom pohyboval po špirále smerom k Slnku
Obidve masívne planéty sa dostali do pomerne malej vzájomnej vzdialenosti. Vplyvom ich gravitácie bol plyn, ktorý sa medzi nimi nachádzal, úplne vypudený, a tým prestal pôsobiť na obidve planéty a zastavil, resp. úplne otočil ich smrtiacu cestu smerom k Slnku
Potom sa tieto planéty pohybovali po špirále smerom von, až kým Jupiter nedosiahol vzdialenosť okolo 5 AU
Aby sa v Slnečnej sústave vôbec sformovala terestrická planéta (Zem), môžeme ďakovať Saturnu, bez prítomnosti ktorého by sa špirálový pohyb Jupitera smerom k Slnku nezastavil
Migrácia planét: vynovený Nicejský model Keď sa Jupiter priblížil k pásu asteroidov (v tom čase
tvorenom kamennými objektmi) nedochádzalo k intenzívnym zrážkam a následne rozrušeniu celého pásu asteroidov, ale skôr k jeho presúvaniu
Po tom, čo sa Jupiter začal vzďaľovať, posunul pás asteroidov späť do oblasti, kde sa momentálne nachádza a pokračoval ďalej až do vzdialenosti okolo 5 AU. Tým sa dostal do oblasti bohatej na ľadové objekty a svojím gravitačným pôsobením niektoré z nich presunul na dráhy bližšie k Slnku, do pásu asteroidov. Tento výsledok nám teda dokáže objasniť, prečo v hlavnom páse asteroidov pozorujeme kamenné objekty z vnútornej Slnečnej sústavy a tiež ľadové objekty z vonkajšej Slnečnej sústavy.
Migrácia planét: vynovený Nicejský model Odpoveď na otázku ohľadom „veľkosti Marsu” je podľa
spomínaného scenára pomerne jednoduchá Jupiter strávil počas migrácie v Slnečnej sústave nejaký
čas v oblasti okolo 1,5 AU a svojím gravitačným pôsobením túto oblasť pomerne silno rozrušil, a preto nezostalo dostatočne veľa materiálu na sformovanie sa planéty, akú by sme v danej oblasti očakávali.
Budúcnosť Slnečnej sústavy
Ďalší vývoj Rozhodujúcu úlohu hrá samotný vývoj Slnka Žiarivý výkon sa bude meniť len nepatrne, postupne bude
horúcejšie a jasnejšie asi o 10% za 1 mld. rokov O približne 1,5 mld. rokov sa tzv. obývateľná zóna
presunie k dráhe Marsu O asi 2,4 mld. rokov má dôjsť k stretu našej Galaxie s
galaxiou M31, čo môže ovplyvniť rovnováhu v Slnečnej sústave
Ďalší vývoj Po 6 mld. rokov Slnko vyčerpá vodík v jadre, premení ho na
hélium, termonukleárne reakcie prestanú a tlak žiarenia prestane pôsobiť proti tlaku gravitácie
Na héliové jadro bude vyvíjaný tlak zvonka, čím sa zvýši jeho teplota a dôjde k syntéze hélia na ďalšie chemické prvky (C, O)
Slnko sa takto stabilizuje opäť na niekoľko miliónov rokov
Ďalší vývoj Neskôr sa vrchné vrstvy Slnka začnú rozpínať, rednúť a
chladnúť – štádium červeného obra Pod jeho povrchom sa ocitnú Merkúr a Venuša a možno aj
Zem
Ďalší vývoj Aj hélium vyhorí, jadrové reakcie ustanú a opäť dôjde ku
kolapsu vonkajších vrstiev Tento kolaps už nebude mať čo zastaviť a jadro sa zmení na
bieleho trpaslíka (asi veľkosti Zeme) a vonkajšie vrstvy sa oddelia a vytvoria planetárnu hmlovinu
Hmlovina sa rozptýli a poslúži ako stavebný materiál obohatený o C, H, O, Ca, Fe pre nové hviezdy a ich planéty
““Pulvis es et in pulverem reverterisPulvis es et in pulverem reverteris””
Odporúčané materiály Niektoré texty z heslára projektu Stretnutia s vesmíromhttp://www.astro.sk/~zkanuch/apvv/wwwheslar/
Prezentácie a texty zo zborníkov celoslovenských seminárov pre učiteľov (projekty Stretnutia s vesmírom a Objavuj vesmír, tvoj domov)
http://www.astro.sk/~choc/open/07_casu/str/zbornik.htmlhttp://www.astro.sk/~choc/open/08_casu/str/zbornik.htmlhttp://www.astro.sk/~choc/open/09_casu/str/zbornik.htmlhttp://www.ta3.sk/~mhusarik/APVV_LPP-0078-09/10_CASU/prezentacie_a_zbornik.phphttp://www.ta3.sk/~mhusarik/APVV_LPP-0078-09/11_CASU/prezentacie_a_zbornik.phphttp://www.ta3.sk/~mhusarik/APVV_LPP-0078-09/12_CASU/prezentacie_a_zbornik.php
Odporúčaná literatúra Garlick, M.A.: The Story of the Solar System,
Cambridge University Press, 2002
Woolfson, M.M.: The Origin and Evolution of the Solar System, IoP Publishing, 2000
Woolfson, M.M.: The Formation of the Solar System: Theories Old and New, Imperial College Press, 2007
Ďakujem za pozornosť!