1 / 46

Vznik a vývoj Slnečnej sústavy

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

elgin
Download Presentation

Vznik a vývoj Slnečnej sústavy

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 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“

  2. Obsah • Teórie o pôvode Slnečnej sústavy • Fázy vývoja • Globula, praslnko, T Tauri • Slnko, planéty, mesiace, asteroidy, kométy • Migrácie planét • Budúcnosť Slnečnej sústavy • Odporúčaná literatúra

  3. 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.

  4. Otázky „prečo?“ na planetárnu kozmogóniu • Slnko je v centre sústavy • Dráhy planét sú takmer v jednej rovine a paralelné s ekliptikou • Dráhy planét sú takmer kruhové • Planéty obiehajú v tom istom smere ako rotuje Slnko • Väčšina planét rotuje okolo osi v priamom smere • Väčšina mesiacov obieha okolo planéty v rovnakom smere ako planéty okolo Slnka, aj rotujú okolo osi v tom smere ako planéty • Planéty majú 98% uhlového momentu sústavy, ale len 0,15% z celkovej hmoty • Terestrické a plynné planéty vykazujú výrazné fyzikálne a chemické rozdiely • Planéty sa podobajú so svojimi mesiacmi na miniatúrne Slnečné sústavy • Atď. atď.

  5. Jeden obrázok alebo tisíc slov?

  6. 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

  7. 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

  8. 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?

  9. 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

  10. 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 • ...

  11. Etapy vývoja Slnečnej sústavy

  12. 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

  13. 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)

  14. 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

  15. 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)

  16. Praslnko

  17. 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

  18. 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

  19. 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

  20. 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%)

  21. 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)

  22. 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

  23. Vráťme sa späť a vytvorme planéty

  24. 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. snowline), kde je teplota okolo -70 stupňov C. Sú tu prítomné aj H2O, NH3, CH4

  25. 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

  26. 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

  27. 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

  28. 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

  29. 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

  30. 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

  31. Slnko a planéty sme vytvorili a čo ďalej?

  32. 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.

  33. 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)

  34. 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

  35. 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

  36. 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

  37. 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.

  38. 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.

  39. Budúcnosť Slnečnej sústavy

  40. 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

  41. 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

  42. 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

  43. 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 reverteris”

  44. Odporúčané materiály • Niektoré texty z heslára projektu Stretnutia s vesmírom http://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.html http://www.astro.sk/~choc/open/08_casu/str/zbornik.html http://www.astro.sk/~choc/open/09_casu/str/zbornik.html http://www.ta3.sk/~mhusarik/APVV_LPP-0078-09/10_CASU/prezentacie_a_zbornik.php http://www.ta3.sk/~mhusarik/APVV_LPP-0078-09/11_CASU/prezentacie_a_zbornik.php http://www.ta3.sk/~mhusarik/APVV_LPP-0078-09/12_CASU/prezentacie_a_zbornik.php

  45. 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

  46. Ďakujem za pozornosť!

More Related