Från snöbollar till planeter (Anders Johansen) (6,2 MB) - Skolverket

Fr˚an snöbollar till planeter
– hur is bildar planeter och hur vatten gör dem beboeliga
Föredrag till “Planeter och liv i universum”
Stockholm, 29 november 2012
Anders Johansen
Lunds universitet
anders@astro.lu.se
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 1 / 25

Om mig
Född i Köpenhamn
Studerade p˚a Köpenhamns universitet
Disputation i astronomi fr˚an Heidelbergs
universitet i Tyskland (2007)
Jobbade sedan som forskare p˚a Leidens
universitet i Holland
Biträdande universitslektor p˚a Lunds universitet
sedan maj 2010
Forskning inriktad mot datorsimuleringar av
planetbildning
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 2 / 25

Jorden
Jordlik planet (stenplanet)
Kretsar runt solen (stjärna)
R⊕ = 6.371 km
M⊕ = 5,9736·10 24 kg
Stor m˚ane
Oceaner
Kontinenter
Plattektonik
Atmosfär med syre
Regn och snö
⇒ Liv
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 3 / 25

Solsystemet
Jordlika planeter:
Merkurius,
Venus,
Jorden,
Mars
Gasjättar:
Jupiter,
Saturnus
Isjättar:
Neptunus,
Uranus
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 4 / 25

Asteroidbältet
Första asteroiden (Ceres)
upptäcktes 1801 av
Guiseppe Piazzi och Carl
Friedrich Gauss
Man definierade ursprungligt
Ceres som en planet
Asteroidbältet inneh˚aller 1 –
2 miljoner asteroider större
än 1 km
Totala massan är bara
0,05% av Jordens
Numreras efter tidpunkten
för upptäckt, men ges ocks˚a
namn
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 5 / 25

20 största asteroiderna
# Namn Diameter a e i Prot
km AE ◦ t
001 Ceres 933 2.769 0.0780 10.61 09.075
002 Pallas 525 2.770 0.2347 34.81 07.811
004 Vesta 510 2.361 0.0906 07.14 05.342
010 Hygiea 429 3.138 0.1201 03.84 27.659
511 Davida 337 3.174 0.1784 15.94 05.130
704 Interamnia 333 3.064 0.1475 17.30 08.727
052 Europa 312 3.101 0.1002 07.44 05.631
015 Eunomia 272 2.644 0.1849 11.76 06.083
087 Sylvia 271 3.490 0.0820 10.87 05.183
003 Juno 267 2.668 0.0258 13.00 07.210
016 Psyche 264 2.923 0.1335 03.09 04.196
031 Euphrosyne 248 3.146 0.2290 26.34 05.531
065 Cybele 240 3.437 0.1044 03.55 04.041
107 Camilla 237 3.484 0.0842 09.93 04.840
624 Hektor 233 5.181 0.0246 18.23 06.921
088 Thisbe 232 2.767 0.1638 05.22 06.042
451 Patientia 230 3.062 0.0709 15.24 09.727
324 Bamberga 228 2.681 0.3409 11.14 29.43
048 Doris 225 3.110 0.0693 06.54 11.89
532 Herculina 225 2.771 0.1764 16.36 09.405
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 6 / 25

Dawn
Sköts upp 2007 med syfte att studera 1 Ceres och 4 Vesta
Kretsar just nu kring Vesta (kommer fram till Ceres 2015)
⇒ Första satelliten som kretsar kring en asteroid
⇒ Ska kartlägga asteroidernas ytor och bestämma hur stor en del av
Ceres som är is
Asteroider är de äldsta kropparna i solsystemet och vi kan lära om
hur planeter bildas genom att studera dem
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 7 / 25

Bilder av 4 Vesta med Hubble och Dawn
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 8 / 25

Kuiperbältet
Kuiperbältobjekt är som asteroider men kretsar kring solen i banor bortom
Neptunus
Kuiperbältet inneh˚aller den dominerande delen av sm˚a iskroppar i Solsystemet
5.000 kroppar större än 100 km (bara 26 i asteroidbältet)
Pluto anses numera vara ett Kuiperbältobjekt
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 9 / 25

Relativa storlekar
Orcus är ungefär av samma storlek som Ceres (R = 450 km)
⇒ Största Kuiperbältobjekten är mycket större än de största asteroiderna
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 10 / 25

Stjärnbildning
Stjärnor bildas i roterande molekylära gasmoln när gas drar sig ihop
under sin egen vikt
En del av gasen bildar en protoplanetär skiva kring den unga stjärnan
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 11 / 25

De tre stegen i planetbildning
Planetesimalhypotesen:
Asteroider, stenplaneter och gas- och isjättars kärnor bildas i protoplanetära skivor
fr˚an damm- och ispartiklar som kolliderar och växer till större och större kroppar
1 Damm till planetesimaler
µm → cm: dammpartiklar kolliderar och fastnar i varandra
cm → km : ???
2 Planetesimaler till protoplaneter
km → 1,000 km: gravitation
3 Protoplaneter till planeter
Gasjättar: 10 M⊕ kärna f˚angar in gas (< 10 7 ˚ar)
Jordlika planeter: protoplaneter kolliderar (10 7 –10 8 ˚ar)
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 12 / 25

Sedimentering
Ursprungliga µm-stora dammpartiklar fastnar i varandra och bildar
cm-stora sm˚astenar
Sm˚asten sedimenterar och bildar tunn skikt i mitten av skivan
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 13 / 25

Laboratorieexperiment
Laboratorieexperiment användas till att undersöka vad som händer
när dammpartiklar kolliderar
Kollisionar mellan stora partiklar (gruskorn, sm˚asten, sten, klippblock)
leder för det mesta bara till att de studsar
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 14 / 25

Hur turbulens kan hjälpa planetbildning
1 Sm˚asten sedimenterar till mitten av skivan
2 Ytterligare tillväxt frustreras av kollisioner vid höga hastigheter (1–10
m/s) som leder till erosion och studsning
3 Skiktet är inte tätt nog för att gravitation ska vara viktig
⇒ Behöver ett sätt att göra skiktet tätt nog för att initiera en
gravitationell kollaps
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 15 / 25

Partikelklumpar
Datorsimulering av sm˚astenar som rör sig i en protoplanetär skiva:
z/(ηr)
z/(ηr)
+20.0
+10.0
+0.0
−10.0
t=40.0 Ω −1
−20.0
−20.0 −10.0 +0.0
x/(ηr)
+10.0 +20.0
+20.0
+10.0
+0.0
−10.0
t=120.0 Ω −1
−20.0
−20.0 −10.0 +0.0
x/(ηr)
+10.0 +20.0
t=80.0 Ω −1
+20.0
+10.0
+0.0
−10.0
−20.0 −10.0 +0.0
x/(ηr)
+10.0
−20.0
+20.0
t=160.0 Ω −1
−20.0 −10.0 +0.0
x/(ηr)
+10.0
−20.0
+20.0
⇒ Mycket täta partikelklumpar bildas spontant (utan gravitation)
(det är det som jag sysslar med...)
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 16 / 25
+20.0
+10.0
+0.0
−10.0
z/(ηr)
z/(ηr)

Varför bildar partiklarna klumpar?
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 17 / 25

Film av planetesimalbildning
Datorsimulering p˚a en av de
snabbaste superdatorer i
världen
Beräkningskraft som 300.000
vanliga datorer
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 18 / 25

Planetesimalmassor
Största planetesimaler är
typiskt 500 km i radius
Motsvarar dvärgplaneten
Ceres
⇒ Var asteroider född stora?
Bildar ocks˚a flera mindre
planetesimaler tillsammans
med de stora
planetesimalerna
Om vi skalerar
datorsimuleringen till
Kuiperbältet f˚ar vi dubbelt s˚a
stora planetesimaler
⇒ Förklarar varför
Kuiperbältobjekt är större än
−0.10
0.10
−0.05
asteroider
−0.10
−0.10 −0.05 0.00
x/H
0.05
y/H
y/H
y/H
y/H
0.10
0.05
0.00
−0.05
−0.10
0.10
0.05
0.00
−0.05
−0.10
0.10
0.05
0.00
−0.05
0.05
0.00
128 3
20.0
Σ p/
0.0
t=120.4
N=13
M bound= 1.34
M 1= 0.44
M 2= 0.19
M 13= 0.0061
N=7
M bound= 1.35
M 1= 0.59
M 2= 0.49
M 7= 0.020
N=9
M bound= 1.42
M 1= 0.45
M 2= 0.33
M 9= 0.012
N=7
M bound= 1.37
M 1= 0.54
M 2= 0.31
M 7= 0.0052
t=130.4
−0.10 −0.05 0.00
x/H
0.05
N=7
M bound= 1.35
M 1= 0.95
M 2= 0.16
M 7= 0.029
N=3
M bound= 1.47
M 1= 0.75
M 2= 0.70
M 3= 0.014
N=6
M bound= 1.46
M 1= 0.63
M 2= 0.59
M 6= 0.021
N=3
M bound= 1.44
M 1= 0.63
M 2= 0.59
M 3= 0.22
t=140.4
−0.10 −0.05 0.00 0.05 0.10
x/H
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 19 / 25
No collisions
Collisions with shear
ε=0.3
Collisions without shear
ε=0.3
Collisions with shear
ε=1.0

Planetesimalbildning via klumpbildning
1 Dammkorn och iskorn kolliderar och växer till
cm-stora sm˚astenar och hagelstenar
2 Täta klumpar bildas spontant
3 Gravitationellt kollaps bildar planetesimaler med
100–1000 km radius
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 20 / 25

Fr˚an planetesimaler till planeter
Stor planetesimal rör sig genom ett ocean av mindre planetesimaler
Växar när sm˚a planetesimaler träffar ytan
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 21 / 25

Gasjätter och isjättar
1 Dammkorn och iskorn bildar planetesimaler
2 Protoplanet ackreterar planetesimaler med sin gravitation och bildar
kärna av is och sten p˚a ungefär 10 jordmassar
3 Kärnan attraherer flera hundra jordmassar “atmosfär” av H2 och He
(gasjätte) eller bara ett par jordmassor (isjätte)
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 22 / 25

Stenplaneter
Planetesimaler kolliderar och bildar
protoplaneter med storlek som M˚anen
Protoplaneter kolliderar i jättekollisioner över
10 – 100 miljoner ˚ar
Till slut har vi 2–8 stenplaneter i den inre
delen av planetsystemet
Vatten kan existera som vätska i rätt avst˚and
fr˚an Solen
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 23 / 25

Islinjen
Temperaturen i solnebulosan dalade med avst˚andet fr˚an Solen
Vattenmolekylet är ˚anga närmare än 3 AE fr˚an Solen, men bildar is
längre borta
⇒ Förklarer varför asteroider best˚ar av sten och Kuiperbältobjekt best˚ar
av is
Men varifr˚an kommer Jordens vatten?
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 24 / 25

Kometer
Iskometer fr˚an Kuiperbältet kan ha kolliderad med Jorden när Jorden
var ung
⇒ Jordens vatten kommer fr˚an Kuiperbältet
En annan möjliget är is-asteroider som Ceres
Anders Johansen (Lund) Fr˚an snöbollar till planeter 29 november 2012 25 / 25