Solsystemet: observerade egenskaper

Solsystemet: observerade egenskaper
En teori för solsystemets bildande måste förklara vissa
grundläggande observationer:
• Solens rotation och planeternas omlopp kring solen sker i
samma riktning
• 98% av rörelsemängdsmomentet skapas av planeterna,
men de utgör endast 0.15% av totala massan
L = r × mv
L rörelsemängdsmoment
r avstånd från solen
v hastighet
m massa

Banelement
• Banans form och storlek
• a: halva storaxeln
• e: excentricitet
• Orientering i rymden
• i: inklination
• ω: periheliets longitud
• Ω: uppstigande nodens longitud
• Objektets läge i banan
• M: medelanomalin
vid epoken T (vinkeln
från perihelium)

Solsystemet: observerade egenskaper
• Solen dominerar; de jordlika och jätteplaneterna är fysiskt
och kemiskt olika

Solsystemet: observerade egenskaper
• Planeter och satelliter rör sig i eller nära ekliptikans plan
• Planeternas banor har små excentriciteter
• Jätteplaneternas satellitsystem har en struktur som
påminner om solsystemets
Solsystemet
Saturnussystemet

• Nebulosamodellen
Tidiga kosmogoniska teorier
– Immanuel Kant föreslog en stor roterande solnebulosa, ur vilken
planeterna kondenserade (1755)
– Pierre Simon de Laplace föreslog att planeterna bildades ur ringar av
gas utslängda från den kollapsande solen (1796)
• Nebulosamodellen överlevde till slutet av 1800-talet när det
kunde visas att den inte kunde förklara
– koncentrationen av rörelsemängd i planeterna
– solens dominerande massa

Tidiga kosmogoniska teorier
• En mängd katastrofteorier lanserades under 1800- och tidiga
1900-talet, tex.
– kometnedslag på solen
– närpassage av stjärna
– fragmentering av en snabbt roterande sol
• Katastrofteorierna övergavs på 1940-talet när nebulosateorin
modifierades
– magnetiska krafter kunde förklara solens långsamma rotation genom
överföring av rörelsemängdsmoment från solen till solnebulosan

En stjärnas födelse
• Den primitiva solnebulosan bildades ur ett massivt fragment
av ett stort molekylärt moln av kall (ca 10 K) vätgas (H 2)
• Gas- och stoftrika mörka globuler observeras i bland annat
emissionsnebulosor och är födelseplatser för stjärnor

• Globulens gravitationskollaps kan initieras av
– en chockvåg från en supernova
– en stark partikelvind från en ung luminös stjärna
– passage genom en spiralarm i Vintergatan (”tryckvåg”)
• Kollapsen fortsätter bara om molnet kan kylas av
– den frigjorda lägesenergin slipper ut ur molnet
– materialet hettas upp då det faller inåt
– utstrålade flyende fotoner kyler molnet (infrarött)
• Ju högre täthet, desto snabbare går kollapsen och desto
mindre kroppar bildas
– ett moln kollapsar ”inifrån och ut”
– den minimala Jeansmassan minskar med ökande täthet

• En skivformad struktur bildas
– endast material som rör sig långsamt (lågt rörelsemängdsmoment)
samlas i centrum
– total kollaps förhindras av partiklarnas höga hastigheter (starka
centrifugalkrafter)
– partikelkollisioner i vertikal led orsakar den tunna skivan
• En stjärna bildas i centrum av molnet där tätheten och
temperaturen är högst
– en protostjärna bildas efter 100 000 - 1 miljon år
– stabil fusion initieras efter 10-100 milj år
• centraltemperatur 10 milj K (väte → helium + energi enligt protonprotoncykeln)
• stjärnan är ”född” och hamnar på huvudserien

Orionnebulosan: unga stjärnor

Hertzsprung-Russeldiagrammet

Vad är en stjärna?
• En massiv kropp av plasma som producerar energi genom
kärnreaktioner
– plasma är het joniserad gas
• atomer som förlorat elektroner och därmed är elektrisk laddade
– genom fusion frigörs energi och tyngre grundämnen skapas
– i solen skapas helium och energi genom sammanslagning av
väteatomer (600 miljoner ton/s) i proton-protonreaktionen
• Stjärnor befinner sig i hydrostatisk jämvikt
– gravitationen balanseras av strålningstrycket som skapas av
fusionen
• En stjärna utsänder ljus på grund av sin höga temperatur
– temperaturen på stjärnans fotosfär bestämmer stjärnans färg
– en planet utsänder ljus eftersom den reflekterar strålning från en
stjärna

Planeterna bildas
• Stoft och gas faller in från olika håll i den roterande
solnebulosan
– rörelser vinkelrätt mot rotationsplanet tar ut varandra
– en protoplanetarisk skiva bildas
– skivan hettas upp: 1500 K på jordens solavstånd
Skivor i Orionnebulosan, 50-100 AE i diameter

• ”Herbig-Haro”-utflöden från protostjärnan skapas genom magnetisk
växelverkan mellan stjärnan och nebulosamaterialet
– gas accelereras utåt med hastigheter av 100-tals km/s och kolliderar med det
interstellära mediet
– rörelsemängdsmomentet i skivan minskar, ytterligare ansamling mot centrum
sker

• Hur massiv var solnebulosan?
– med dagens planetmassor och en sammansättning
som liknar solens kan vi uppskatta att
protoplanetskivan hade en minimal massa av
2/100 solmassor
– sannolikt var massan mycket större
• Då temperaturen sjunkit tillräckligt
– gasformiga mineraler kondenserades från gasen
– fasta partiklar kunde växa sig större genom
långsamma kollisioner
• Större partiklar bildades av
– små fasta kondruler (ca 1 mm stora)
– porösa molekylansamlingar löst sammanhållna

• Sammanslagning av protoplaneter
– bildar de inre jordlika planeterna
– bara de mest massiva kropparna blir kvar
– dagens planeter bildade av några hundra stora protoplaneter
(”planetembryon”)
– tar 10-100 milj år
• Jätteplaneterna bildas genom att massiva gasrika subnebulosor ansamlar
lättflyktigt material på ett effektivt sätt
– ”skenande ansamling”
– dessa subnebulosor har en
kemisk, fysisk och
temperaturmässig struktur som är
lik solnebulosan
– kondensering av metaller sker
huvudsakligen på små
planetavstånd, kondensering av is
på större
– små planetesimaler infångas av
den termiskt uppblåsta
atmosfären kring planeten

Den väl utvecklade planetskivan
• Solnebulosan sveptes bort under solens T Taurifas
– solens luminositet var 20-30 gånger större än idag; stark stjärnvind
– 1-10 miljoner år efter protostjärnan bildades
– de gasrika jätteplaneterna måste då ha varit bildade (de har stora mängder H 2
och He)
– de jordlika planeterna bildades ca 10 ggr långsammare, fullt ansamlade efter ca
100 miljoner år
Skivan kring stjärnan beta Pictoris är störd av gravitationen från en eller
flera osynliga kompanjoner, som kan vara planeter eller bruna dvärgar

Katastrofer i planetbildningens slutskede
• Simuleringar av ansamlingen
av planeterna indikerar att
– Merkurius’ stora järnkärna
sannolikt inte orsakades av
kemisk anrikning i
solnebulosan, utan är
resultatet av ett sent nedslag
som kastade bort
silikatmanteln
– månen sannolikt bildades då
en Marsstor kropp slog ned
på jorden under
ansamlingens slutskede
– de varierande lutningarna på
jätteplaneternas
rotationsaxlar orsakades av
icke-centrala nedslag under
ansamlingsfasen

Planetsystemets senare utveckling
• Initialt var solsystemet mindre
– jätteplaneterna låg närmare solen (9-17 AE från solen)
– isiga småkroppar (ca 35 jordmassor) i mer avlägsna banor (

Nicemodellen:
simulering

Därför ser solsystemet ut som det gör!
• Solens rotation och planeternas omlopp kring solen sker i samma riktning
– ursprungliga interstellära molnet hade en huvudsaklig rotationsriktning
• 98% av rörelsemängdsmomentet beror av planeterna, men de utgör endast
0.15% av totala massan
– planeterna bildades som separata planetesimaler i en roterande solnebulosa
• De jordlika och jätteplaneterna är fysiskt och kemiskt olika
– temperaturgradient i solnebulosan
– tunga material (järn) kondenserade nära solen, lättare längre bort (is)
• Planeter och satelliter rör sig i eller nära ekliptikans plan
– beroende på protoplanetskivans rotation och struktur
• Planeternas banor har små excentriciteter
– planetesimalerna rörde sig i ungefärligen cirkulära Keplerbanor
– Uranus och Neptunus banor cikulariserades efter platsbytet
• Jätteplaneternas satellitsystem har en struktur som påminner om
solsystemets
– jätteplaneterna bildades i heta gasrika subnebulosor av solnebulosan

• Satelliter
Småkroppar i solsystemet
• Småplaneter
– Asteroider
– Jordkorsare
– Trojaner
– Kentaurer
– Transneptunska objekt
• Kometer
– Kortperiodiska
– Långperiodiska
– Oorts kometmoln
• Stoft och meteorer (men även av interstellärt urprung)
• Meteoriter

• Huvudplaneter
– Jordlika planeter
• Merkurius, Venus: 0
• Jorden: 1
• Mars: 2
– Jätteplaneter
• Jupiter: 63
• Saturnus: 47
• Uranus: 27
• Neptunus: 13
• Småplaneter
– Asteroider: 0-2
Satelliter
– Transneptunska objekt: 0-3

Asteroider
• Småplaneter, huvudsakligen i huvudbältet, mellan Mars och Jupiter
– 2,1-3,3 AE från solen, omloppstider 3-6 år
– huvudsakligen stenrika kroppar, delvis bestående av vattenis

Banor
• Medelrörelseresonanser med Jupiter viktiga
– Orsaken till att ingen planet bildades i detta område
– Kirkwoodluckor i huvudbältet: mycket få asteroider
– Utanför huvudbältet: vissa småplanetgrupper samlas vid
medelrörelseresonanserna

• Ceres
Storlekar
– Största asteroiden: 1000 km i diameter
– Upptäckt av Guiseppe Piazzi 1 januari 1801
• Idag nästan 500 000 med väl kända banor
• Total massa: 5% av månens

Former och ytor
• Asteroiderna är för små för gravitationell kontraktion
– samtliga är mer eller mindre oregelbundna
• Endast ett tiotal av de största asteroiderna är ursprungliga
och relativt sfäriska
• Ett fåtal är differentierade; de flesta av dessa är splittrade
• Pulvriserade ytor (regolit), med eller utan kratrar
Itokawa Ida och Daktyl

Reflektanser och spektra
• Variationer i asteroidernas färger orsakas av
– sammansättning
– ålder
• bildning på olika solavstånd eller i olika delar av moderasteroiden
• “rymdvädring” orsakar mörkare och rödare spektra
• S-typer: silikatrika, torra, ljusa, rödaktiga, inre huvudbältet
• C-typer: kolhaltiga, vattenrika, mörka, “blåa”, yttre
huvudbältet

Dynamiska asteroidfamiljer
• Familjer: asteroider med liknande banor
• Bildade genom kollisioner (

Nära jorden-objekt (NEO)
• Jordkorsande objekt har banor som kommer närmare solen
än jordens medelavstånd
– vissa är potentiellt farliga för jordiskt liv (937 kända 080423)
• Huvudsakligen huvudbältsasteroider som störts in i
solsystemets inre delar
– dynamisk utkastning från Kirkwoodluckor
– kaotiska banor, störda av de inre planeternas gravitationer
– dynamisk livstid några miljoner år
• Klassificering
– Aten (327 kända): a < a E , Q > q E
– Apollo (1941 kända): a > a E , q < Q E
– Amor (1692 kända): a = Q E − q M , q = Q E − 1.3 AE
(a medelavstånd, q perihelieavstånd, Q aphelieavstånd)

Trojaner
• Småplaneter som delar bana med huvudplaneter
– befinner sig 60º före och efter huvudplaneten, på samma a
– oscillerar kring två av Lagrangepunkterna
– gravitationskraften från solen och moderplaneten densamma
– i Jupitersystemet kan banorna cirkulera runt en enstaka
Lagrangepunkt, i en hästskobana längs med Jupiters bana men
uteslutande planeten, eller temporärt infångas av Jupiter
• Huvudplaneter med Trojaner
– Jupiter (ca 2300 kända, totalt antal troligen samma som i huvudbältet)
– Mars (4)
– Neptunus (6)
• Jupitertrojanerna fångades troligen in tidigt i sina banor
– möjligen gasfriktionsinfångning under Jupiters bildande
– pga liten risk för kollision och stort solavstånd kan deras ursprungliga
ytor vara välbevarade

Kentaurer
• Vissa TNOs belägna i dynamiskt instabila zoner utvecklar kortare och
mer elliptiska banor
– en källa för kortperiodiska kometer
– omkring 50 kända medlemmar
• Banor
– perihelia vid 8-11 AE (Saturnus), aphelia vid 19-36 AU (Uranus-
Neptunus)
– korsar Saturnus, Uranus och Neptunus banor
– kaotisk banutveckling
– dynamiska livstider 1-100 miljoner år
• Storlekar 10-200 km
• Vissa utvecklar koma
• Exempel: (2060) Chiron och (5145) Pholus

Transneptunska objekt (TNOs)
• Observerade egenskaper
– omkring 1100 är kända
– a omkring 35-55 AE, kring och bortom Neptunus bana
– antagna reflektanser på 4-7% implicerar storlekar på 50-3000 km, typiskt
under 300 km
– totala massan uppskattas till 0,2 jordmassor
– totala antalet uppskattas till 1-10 miljarder
• 30-40% av alla TNOs befinner sig i 3:2-resonans med Neptunus (så
kallade ”plutiner”)
• 3-4% av alla TNOs har kraftigt elliptiska banor med perihelia

Två intressanta TNOs: Sedna och Eris
• (99990) Sedna med en diameter av 2000 km har en omloppstid på 12300
år på solavstånd mellan 76 and 990 AE och är troligen ett objekt med
ursprung i det inre Oortmolnet. Nu 88 AE från solen. Upptäcktes 2003.
• (136199) Eris har en
diameter av 3000 km
(större än Pluto), en
omloppstid på 557 år
och hög inklination.
För närvarande det
mest avlägsna
observerade objektet i
solsystemet (97 AE).
Metan på ytan.
Upptäcktes 2005.
Scattered disk-objekt.

En komets anatomi
– Huvud
• Kärna
• Koma
– Svans
• Stoft
• Gas
– Stoftspår
– Synlig
– Vätgas
Kometer
C/1995 O1 (Hale-Bopp), 6 mars 1997

• Oftast kraftigt elliptiska
• Omloppstid
Kometbanor
– Långperiodiska: >200 år, slumpmässiga inklinationer, pro- eller retrograda
– Kortperiodiska:

Oorts kometmoln
• Distributionen för 1/a är ett mått på banenergin och har en topp kring
1/ a = 0 (a är banans halva storaxel i AE)
• 1/a > 0 för bundna banor, 1/a < 0 för hyperboliska banor
• De flesta kometer har omloppstider kring
– 7 år (Jupiterfamiljen)
– ”oändligheten” (dynamiskt nya kometer från Oorts moln)

• Jan Oort postulerade år 1950 existensen av ett sfäriskt moln av
kometer som omgav solsystemet på ett avstånd av ca 50000 AE
• Baserat på antalet observerade nya kometer uppskattas Oorts moln
innehålla 10 12 objekt med en total massa av 10 jordmassor

Diskussionsfråga
Varför tror vi oss veta att Oorts
kometmoln har en sfärisk form?

• Objekten i Oorts moln kan störas och falla in mot solen pga
– närpassager av stjärnor
– gigantiska molekylmoln
– variationer i det galaktiska gravitationsfältet
• Livstiden för en komet i molnet är ungefär halva solsystemets ålder
– reservoaren behöver fyllas på för att inte tömmas, vilket troligen sker från
ett inre tätare moln 1000-10000 AE från solen
– de ursprungliga Oortobjekten härrör dock troligen från Jupiter-
Neptunusområdet
• En Oortkomet som når solsystemets inre delar utvecklas pga Jupiters
gravitationella störningar till en kortperiodisk komet efter några hundra
omlopp, men inklinationen bevaras
• Ursprunget till de flesta kortperiodiska kometer, som har låga
inklinationer och prograda rörelseriktningar, tros därför vara en
tillplattad skiva utanför Neptunus bana

1P/Halley (16x8x8 km)
Kometkärnor och jets
19P/Borrelly (8 km)
81P/Wild 2 (2,8x2,0x1,6 km)

• Observerade egenskaper
– typiska diametrar 1-20 km
– låga reflektanser omkring 2-5%
– avlånga (”potatisformade”)
Kometkärnor
– densiteter omkring 0,5 g/cm 3 (jämför glass) indikerar mycket porösa och
löst sammanhållna ”grushögar” med omfattande inre håligheter
– rotationsperioder från flera timmar till flera dygn
• Fred Whipples ”smutsiga snöboll-modell” (1950): kometkärnan är löst
sammansatt av isiga planetesimaler bestående av frusna lättflyktiga
ämnen uppblandade med meteoritiskt stoft
• Dynamiskt nya kometer är sannolikt täckta av mycket lättflyktiga isar
som sublimerar så fort tillräckligt hög temperatur nås
– förklarar nya kometers relativt höga aktivitet och höga gasinnehåll vid
stora heliocentriska avstånd
– en typisk komet förlorar material till 1 m djup vid varje passage

• Gamla kometer har förlorat det mesta eller allt lättflyktigt
material
– kärnan täcks av en stoftskorpa som är för tung för att transporteras
bort av gastryck
– Atomer och molekyler som är tyngre än vätgas förblir på kometens
yta och kan bilda kolrika kolvätekedjor (CHON-partiklar) som är
mörka och röda
• förklarar de observerade egenskaperna hos TNOs och gamla
kometkärnor
• Kometkärnor kan splittras av olika processer
– jetaktivitet på ytan kan öka rotationshastigheten
– tidvatteneffekter nära solen eller Jupiter (tex Shoemaker-Levy 9)
– kollisioner

• En komets aktivitet iscensätts av uppvärmning från solen
– en koma utvecklas runt kärnan
– de flesta kometer ljusnar kraftigt vid solavstånd mindre än 3 AU
• Koman består av
– lättflyktig is (koldioxid, ammoniak, metan) som sublimerar nära solen
och drar med sig stoftkorn från ytan
– vattenis, den vanligaste beståndsdelen vars sublimering orsakar den
kraftiga ljusökningen i solsystemets inre delar (

Kometen 17P/Holmes (2007-2008)

Kometens
svans

• Stoftpartiklar av olika storlekar
som lämnar kärnan samtidigt
får individuella banor
– solens strålningstryck
transporterar bort partiklarna
från kärnan
– storleksuppdelningen ger
upphov till oregelbundenheter
som stoftjets och strålar
• Antisvansar orsakas av stora
stoftpartiklar i närheten av
koman
– ser ut att peka mot solen men
orsakas av en projektionseffekt
då jorden befinner sig i
kometens banplan
Stoftsvansen

Gas- eller plasmasvansen
• Joniserade atomer
– från kometens koma fångas upp av solvindens
magnetfält och sprids ut i riktningen bort från
solen
– gassvansens längd kan vara 100 milj km
• Färgen
– är vanligtvis blå
– fluorescerande övergångar i den vanliga och
långlivade CO + jonen
– en energirik UV-foton absorberas
– en mindre energirik blå foton emitteras
• Strukturen
– den stripiga och ibland klumpiga gassvansen är
dynamisk under tidsskalor från minuter till
timmar
– orsakas av växelverkan med magnetfältet i det
interplanetariska mediet
– då det interplanetära magnetfältet byter riktning
kan en svans snörpas av och en ny återskapas