太阳系矮行星、小天体与太阳系形成.ppt

1、天文学导论,第6讲 太阳系(2) 矮行星、小天体、太阳系形成,Almost in the center of it, above the Prechistenka Boulevard, surrounded and sprinkled on all this sides by stars shone the enormous and brilliant comet of 1812the comet which was said to portend all kinds of woes and the end of the world. Leo Tolstoy (1828-1910) WAR A

2、ND PEACE,本讲内容,Dwarf planets 矮行星 Asteroids 小行星 Comets 彗星 Meteoroids 流星体和流星 Collisions 碰撞 太阳系形成,The debris may be small in size but certainly not in importance. We get clues of the origin of the solar system from these small objects.,1。矮行星 Dwarf planets,冥王星 美国加州理工大学迈克尔布朗（Michael E. Brown） Eris厄里斯 2003

3、 UB313, 齐娜Xena 2005年7月29日发现 Sedna赛德纳，2003年11月14日发现 谷神星：最大小行星，1号小行星（1801）,Pluto 冥王星 “古怪的小家伙”,发现于1930, 曾作为太阳系最小的第九大行星 性质特殊，既不像类地行星，也不像类木行星 1999年，国际天文联合会曾考虑把冥王星开除九大行星之列，没有成功！2006年成功了！,Computer enhanced HST images,冥王星的基本特征,对冥王星的了解不深，原因有二： 距离遥远 还没有太空船到冥王星作近距离观测 质量小于地球的1%，半径约1150千米，比月球（半径约1740千米）还小 密度约为水的

4、2.3倍。通常类木行星的密度小于2，而类地行星的密度大于5 冥王星表面及其大气由氮组成，从其密度推断，它应有坚固的表面,冥王星的轨道,冥王星的轨道非常特殊：拥有最大偏心率（作为第九大行星）；公转轨道和黄道面的夹角为17.2度；距太阳平均距离40 AU 轨道周期248年，自转周期 6.39 天,“Pluto: Planet 9 or 8?”,“冥王星的轨道部分在海王星轨道之内，所以从1979年到1999年，在太阳系内，距离太阳最远的“大行星”是海王星而不是冥王星”,Since discovery, observed only a portion (1/4) of Plutos orbit so

5、far!,冥王星和卡戎一对双行星,冥王星的卫星称为卡戎Charon，直径约1200千米，是冥王星直径的一半多点，因此相对于它所围绕的天体来说，它实在是非常巨大,HST image,卡戎和冥王星互为同步卫星,查戎的公转（自转）周期和冥王星的自转周期都是6.39天 因此，在冥王星表面，其中一半可以永远在天空差不多同一地点看到查戎，但另一半却永不见其踪影。反之亦然 查戎是整个太阳系已知唯一的天然同步卫星,哈勃太空望远镜拍摄的冥王星全家福,冥王星及其三颗卫星,同一轨道平面。 两颗新卫星的大小仅相当于查戎的1/10，亮度仅及查戎的1/600。 可能与卡戎同一时间诞生，是同一次巨大天体碰撞的结果？,奔向冥

6、王星和柯伊柏带的New Horizons,如何发现太阳系“小”天体?,Sedna 赛德纳,2。小行星天上的灾星,小行星带：位于火星和木星轨道之间的一个“垃圾场”，距离太阳约2.8（2.0-3.3）AU 近地小行星：阿波罗型和阿登型小行星群，其轨道和地球轨道交叉 特洛伊型小行星：和木星具有共同轨道的小行星群,小行星带的基本特征,轨道周期：3.2-6年 由岩石与金属构成的块状小天体 编号（1号谷神星，4号灶神星）和命名 直径大于250千米的小行星不足20颗 大部分形状不规则，非圆形，形如土豆，表面有大小不等的撞击环行坑，裂缝 小行星间隔平均几千万千米 轨道：像多纳圈 干扰对正常天体的研究：天上的灾

7、星 揭示太阳系形成和演化奥秘的重要钥匙,How to find asteroids?,小行星在背景天空上运行，只要以长时间曝光的方式拍摄，小行星的影像成为一条光迹。大多数天文学家用此方法寻找小行星。 事实上，大部分小行星就是通过这种方式偶然发现的。,Galileos visit to the asteroids in 1991,Asteroid 951（Gaspra 加斯普拉）：自转周期7小时,小行星伊达 (Ida Asteroid 243，自旋周期4.5小时)和它的卫星达克图(243)1,How many?,已被发现及命名的小行星超过22,000颗(No fixed numbers!)，估计

8、质量0.0008地球质量 One (Ceres 谷类女神) found in 1801 矮行星 大约6个直径大于300公里，最大的直径约1000公里（谷神星），most are small (10km) 3 种类型: Rocks 岩石 Iron/nickel 铁/镍 Carbon-rich 碳,3。Comets 彗星脏兮兮的雪球,通常把彗星看作一个“脏雪球”，弥散的、发亮的天体，常常拖着长长的尾巴 几十亿年太阳系构建过程中所遗留下来的残片碎块 太阳系起源的“物证”,1976 到访内太阳系的 威斯特（West）彗星,世纪大彗星 C/2006 P1 麦克诺特彗星,40年来最亮彗星，澳大利亚天文学家

9、R.H. McNaught于2006年8月7日用口径0.5米施密特望远镜发现，2007/1/13-14 最亮-5到-6等,One view of comets as destroyers of worlds in 1857,King Harold (England) and nation cower in fear at the close passage of Halleys Comet,（冰窟中的）彗星的基本特征,彗星和小行星具有共同的起源，却是不同类型的天体（成分、轨道） 彗星由夹杂一些岩石的（水）冰物质构成，故称为“脏雪球” 跨度大多仅有几千米 彗星质量 10-11地球质量，体积大，密

10、度很低，因而是结构松散、多空的天体,彗星的结构,彗核 Nucleus,彗星中心是一颗由凝固了的气体和尘埃组成的、直径小于10公里的细小彗核,Halleys nucleus,彗尾 Beautiful Long Tail,当彗星接近太阳的时候，凝固的气体受热蒸发而产生延展的彗发coma 当它进一步接近太阳，太阳风及太阳辐射压便会把气体和尘埃向后推，形成美丽壮观的彗尾。因此，彗尾永远是背着太阳的 通常形成两条彗尾，一个是蓝色的由离子组成的直尾，另一条是黄色的弯曲的尘埃尾。两条彗尾均可延展数百万公里,West,彗星的轨道：开放 Open Orbit,彗星轨道基本有两种：开放或封闭式绕日运行 以开放式（

11、非周期轨道）绕日运行的彗星只经过太阳一次,彗星的轨道： 周期轨道 Periodic Orbit,封闭式轨道彗星（很扁的椭圆形周期轨道）则可造访太阳多次，交替非常远离和靠近太阳 最著名的周期彗星是以76年周期绕日运行的哈雷彗星 Comet Halley 万有引力最重要的早期预言,彗星核的寿命取决于它的轨道周期和到太阳的最近距离 短周期轨道和长周期轨道，以200年为界（不确定）。一些周期长达一百万年 已知短周期彗星约200颗，长周期彗星约770颗。平均每年发现约6颗彗星 彗星轨道高度椭圆，行星轨道近似圆形。短周期彗星和行星同向运行，轨道取向接近太阳系轨道面；长周期彗星有同向和反向，轨道取向各个方向

12、,Where do comets come from?,Comets come from “Kuiper belt” (柯伊伯带天体 KBOs ) and Oort cloud (奥尔特云): sphere of 1012 comets, 50,000 AU from Sun,邻近恒星通过附近时的引力扰动使一些物质进入内太阳系,Deep Impact: comet Tempel1,made of primitive, cold material: clues to Solar system origin 2005/7/4,4。Meteoroids 流星体,除了小行星带以外，太阳系中还充塞着大量

13、的块状物，称为流星体，它们在太阳系中漂浮飞行 大多数流星体很小(10 m)，多为沙粒大小 流星体可能来自小行星带，由小行星碰撞分裂而成；也可能是彗星靠近太阳时所遗留的物质,Meteor 流星,当流星体以每秒数十公里的速度进入地球大气层(100km)，由于与空气摩擦而产生高热，高温令流星体及四周空气燃烧发光，形成一条划破天际的光迹，称之为流星 Meteors are usually called shooting stars”. 流星是大气现象。 大部分小流星体在穿越地球大气层时燃烧殆尽。,Meteor showers 流星雨,当地球通过古老的彗星轨道时，彗星的大量残骸(cometary deb

14、ris)进入大气层而形成流星雨,流星雨发生在每年相同的时间。 The famous meteor shower: Perseid (英仙座) meteor shower in mid-August is due to Earth passing through the orbit of Comet Swift-Tuttle Leonid (狮子座) meteor shower in mid-November is due to Comet Tempel-Tuttle,1996 Leonids 狮子座流星雨,Several hundred meteors can be seen in one h

15、our, called meteor storms,Meteorites 陨石（星）,大部分流星体会在大气层内燃烧殆尽，但一些较大的流星体有机会熬过大气的燃烧，撞落地面而成为陨石，一些巨大的行星际物质更会造成陨石坑。 年龄46亿年（太阳系年龄），太阳系中最古老的天体。 化学分析表明一些陨石来自月球和火星。,From Mars,Some carbon-rich meteorites have complex molecules, like amino acids (氨基酸): life precursors,Chondrite (stony)meteorite 球粒状岩石陨石,Iron mete

16、orite 铁陨石,Carbonaceous Chondrite富碳球粒状陨石,寻找陨石 Finding Meteorites,5。大碰撞 Collisions with Earth,If a meteorite is large enough, it could produce a crater on the Earth surface. 一些小行星群 (mainly “Apollo”) 的轨道和地球轨道相交，最终大多数可能和地球相撞。 随机的流星体和彗星有时也可能穿越地球轨道。 Recent collisions clearly have occurred.,Known impact si

17、tes on the Earths continents. Despite erosion, 140 terrestrial craters found.,Barringer meteor crater 巴林格陨击坑,Small meteorite produce big destruction!,“Barringer meteor crater” in Arizona: 1.2 km diameter. Probably from diameter 100m meteorite, 50,000 years ago.,“Tunguska event” 通古斯大爆炸,1908, Siberia,

18、 leveled 2000 km2 forest; 15 Mega tones TNT (largest H-bomb ever exploded: 60 Mega tones TNT).,2003年6月，科考队拍摄的爆炸现场,The number, 300 Earth-crossing asteroids known with typical diameter = 1 km; estimate: 2000-4000 of them exist. Expect 1 collision per 300,000 years: 105-106 Mega tons TNT. Small blasts

19、(Tunguska) every 300 years.,End of human civilization?,统计上，人类遭遇像飞机失事、洪水或龙卷风那样死亡的可能碰撞的概率平均大约几百-几千万年一次。 一个直径10km的小行星或彗星大约每3千万年撞击地球一次 可能结束文明 108-109 mega tones TNT explosion devastates surrounding area (r=1000 km); rest of Earth like oven set to “broil”. This is followed by “impact (nuclear) winter” pr

20、oduced by dust in atmosphere; sunlight blocked; acid rain. Then long period of high T (CO2).,恐龙灭绝的证据 Find it?,墨西哥南部尤卡坦半岛Yucatan海域, 直径160-180公里的陨石坑Chicxulub Crater. 铱含量异常 6500万年前一颗直径约10公里的小行星撞击地球. “Cretaceous-tertiary (白垩纪-第三纪) extinction”: 恐龙及2/3物种灭绝。,2.5亿年前流星体撞击南极？,南极洲，卫星发现了直径300英里，藏身于1英里多厚冰原下面的陨石。

21、 流星体撞击地球的年代大约2.5亿之前，即二叠纪-三叠纪的90%物种灭绝事件。 恐龙家族从此异军突起，成为地球的主宰。,Collisions in Solar system,Comet Shoemaker-Levy 9 Strikes Jupiter (July 16, 1994),彗木相撞,6。太阳系的形成,角动量守恒定律 星云假说 太阳系形成的主要过程,已知的太阳系： Observables,所有行星轨道基本位于同一平面内 行星椭圆轨道椭度轻微，几乎近似为圆轨道 行星距太阳的距离遵从一个经验性的规律（提丢斯-彼得法则） 行星公转自西向东 大部分行星自转也自西向东 自转轴相对于轨道面的倾斜度

22、小（金星和天王星是例外，可能碰撞引起） 行星和小行星的自转速率相似： 5 to 15 hours，除非潮吸力使它们变慢,太阳自转同样自西向东，且其自转轴基本垂直于行星轨道面（或太阳的赤道几乎位于行星轨道面内） 行星的化学成分不同，大致随到太阳的距离变化：内行星致密、富含金属，而外行星体积大、富含氢 小行星的化学成分和地质结构不同于行星和其卫星 行星-卫星系统类似于太阳系 彗星来源的奥尔特云 Oort Cloud 和柯伊柏带 Kuiper Belt 行星包含太阳系大约90%的角动量，但太阳却包含太阳系超过99%的质量,Nebular Hypothesis 星云假说,The Nebular Hyp

23、othesis (the origin of the Solar System) is a very old one with some modern innovations Its original form was proposed by Kant (康德) and Laplace (拉普拉斯) in the 18th century A crucial ingredient in the nebular hypothesis is the conservation of angular momentum (角动量守恒),Angular Momentum 角动量,围绕一个点转动的物体拥有角

24、动量 宇宙中的角动量是严格守恒的，可以转移，但不能创造或消灭（对孤立体系）,Ice Skaters and Angular Momentum,角动量守恒的重要物理推论：一孤立体系的 L 是常数 转动速度v 和距离（延展） r 成反相比关系： v = L/(mr) 对转动的物体，如果半径减小，为了保持角动量守恒，则自转必须加快。反之亦然,1. 星云塌缩 Collapsing (contracting) of Nebula,星云：由气体和尘埃组成的巨大星际云，尺度数光年 自引力克服气体压（使云膨胀）而塌缩 Initial collapse triggers (perturbations): 超新星

25、冲击波supernova blast (shock) wave; 旋涡星系密度波density waves in spiral galaxies; etc,巨分子云裂变后的其中一块云：太阳星云,A nebula has huge angular momentum,星云环绕星系中心转动 由于附近恒星爆发或与其它星云碰撞而具有一定的自转 由于星云非常延展，所以既使微小的自转也使星云拥有巨大的角动量,2. Spin faster as contracts,星云的初始自旋非常缓慢 由于角动量守恒，当星云塌缩时其自转必定加快,Example,假设星云尺度大约1光年，即1016米。自转缓慢，假设自转周期为

26、106年 如果塌缩为太阳大小，即1.4*109米，或者说是星云原始大小的千万分之一（10-7），那么其自转速度为原始的5*1012倍，完成一次自转只需0.6秒，是太阳的真实自转的3*106倍 为了太阳的稳定，如此快速自转要求太阳的自引力必须增加大约2*106倍 事实上，星云的大部分角动量滞留在行星上。因此，星云的角动量比从其中所形成的恒星的角动量大得多,3. An accretion disk forms 形成吸积盘,如果没有自转（角动量），星云自然塌缩为一个球 对于自转的星云，因为离心力平衡引力，塌缩的方向性很重要：自转使得垂直于自转轴方向上的塌缩减慢，但是不影响沿自转轴方向的塌缩，所以自转

27、的星云渐渐变得扁平 最终星云塌缩为一个原始恒星和一个吸积盘 因此自转的星云塌缩为一个盘而不是直接塌缩为一个恒星,Animation,4. Small Objects Stick together to Become Large Objects,在原行星盘（吸积盘）内，气体的运动将较小的粒子吹入较大的粒子内 (“the rich get richer at the expense of the poor”) 通过吸附较小的颗粒，较大的尘埃颗粒变得更大 从只有几微米大小开始，稍微大一点的尘埃渐渐生长（增长为鹅卵石pebbles大小的小石块，然后增长为boulders大小的大石块）,当尘埃颗粒增长为

28、大约100米大小的时候，物体的增长率减小，但100米大小的物体会结合形成更大的物体。此时的结合必须轻微，否则猛烈的碰撞会使它们再裂解为许多小碎片。在物体增长的阶段，这种反过程是常见的 当物体增长为约1公里大小的时候，物体的质量足够大因而其引力变得重要并开始起作用。 1公里大小的物体通常称为星子(planetesimals，literally “tiny planets”)。星子的增长加快，较大的星子很快吸引完其轨道附近的其它小物体 Gravity helps planetesimals (星子) grow into protoplanets (原行星) 凝聚- 碰撞- 吸积,5. The In