3 Solsystemet Solsystemet omfattar: • solen (→ 4. Stjärnor

3

Solsystemet

Solsystemet omfattar: • solen (→ 4. Stjärnor) • planeterna och deras månar • asteroider och meteoroider • kometer • interplanetär stoft, gas, mm. Planeternas radie, medelavstånd från solen, densitet, temperatur och antalet månar (upptäckta före 9/2012): planet

radie (km) Merkurius 2400 Venus 6100 jorden 6400 Mars 3400 Jupiter 71500 Saturnus 60300 Uranus 25600 Neptunus 24800

avst. densitet temp. månar (AU) (kg/m3 ) (oC) 0.39 5430 -190/+400 – 0.72 5250 +470 – 1.0 5520 -50/+50 1 1.5 3930 -120/+10 2 5.2 1330 -130 67 9.2 710 -170 62 19 1240 -210 27 30 1670 -220 13 47

Varför är Pluto ingen planet (längre)? Definition på planet (Internationella astronomiska unionen, IAU): • Rör sig i bana runt solen • Har tillräckligt stor massa för att tyngdkraften skall övervinna hållfastheten och ge den en rund form • Har genom sin gravitation tömt sin omgivning på andra stora kroppar T.ex. Pluto, Eris och Ceres är för små för att dominera sin omgivning. Dessa är dvärgplaneter.

Solsystemets planeter och några dvärgplaneter (NASA). 48

3.1

Jorden och månen

Tillsammans med månen bildar jorden nästan en dubbelplanet: Månes radie är > 14 av jordens. Sammanträffande: Månen ser ungefär lika stor ut som solen från jorden sett. Eftersom månens bana ligger nära jordens banas plan sker rätt ofta förmörkelser: • Solförmörkelse: Månen skymmer solen – partiell förmörkelse – ringformad förmörkelse ր – total förmörkelse −→ • Månförmörkelse: Jorden skymmer månen ց

49

Jorden är den enda kända planeten med utvecklat liv. Jordklotet består av: • järn-nickel-kärna, radie 3400 km • manteln, 2900 km tjock • jordskorpan, 10–60 km tjock Ca 70 % av jordytan täcks av vatten. Jordens atmosfär består främst av kväve (77 %) och syre (21 %). Atmosfären indelas i: • troposfären (upp till ca 10 km) • stratosfären (ca 10 - 50 km) • mesosfären (ca 50 - 80 km) • termosfären (ca 80 - 600 km) • exosfären (ca 600 - 10 000 km)

50

.

Jordens magnetfält sträcker sig långt utanför atmosfären: Magnetosfären skyddar jorden från solens partikelstrålning (solvinden) och kosmiska partiklar.

51

3.2

De terrestriella planeterna

Merkurius, Venus, jorden och Mars kallas terrestriella (= jordliknande) planeter. De har liknande struktur: • metallkärna (järn-nickel) • mantel (sulfider, silikater, kisel mm.) • fast yta • relativt tunn atmosfär (jämfört med jätteplaneterna) • få eller inga månar

De terrestriella planeterna (Wikipedia)

52

Merkurius: • ekv.radie ≈ 2439 km • omloppstid ≈ 89 d • rotationstid ≈ 59 d • medelavstånd från solen ≈ 0.39 AU • temperaturen, min -190oC, max +400oC • nästan ingen atmosfär (påminner därför om månen) • is vid polerna • ingen måne

Bild: astro.geo.tu-dresden.de

53

Venus: • ekv. radie ≈ 6052 km • omloppstid ≈ 224 d • rotationstid ≈ 243 d (motsatt riktning) • medelavstånd från solen ≈ 0.72 AU • atmosfärens tryck 90 gånger jordens: Mest koldioxid (även svavelsyra) ⇒ växthuseffekt • temperaturen på ytan ca 460oC • ingen måne

Bild: NASA

54

Mars: • ekv. radie ≈ 3397 km • omloppstid ≈ 687 d • rotationstid ≈ 24 h 37 min • medelavstånd från solen ≈ 1.5 AU • röda färgen: järnoxider • atmosfärens tryck 1/200 av jordens: Mest koldioxid • temperaturen ca -50o C (max +10, min −110) • månar: Phobos och Deimos

Mars-landskap (Curiosity, NASA) 55

3.3

De yttre planeterna

Jätteplaneterna Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus: • lägre densitet än de inre planeterna • tjock atmosfär och liten eller ingen kärna • består mest av väte och helium • stort antal månar och ringar

Bild: NASA

56

Jupiter: • ekv. radie ≈ 71 398 km • omloppstid ≈ 12 år • rotationstid ≈ 10 h • medelavstånd från solen ≈ 5.2 AU • temperaturen ca -130o C • består mest av väte och helium, eventuellt kärna av sten • tjock atmosfär med stormar (ex. röda fläcken) • månar: 67 (upptäckta), största månar: Ganymedes, Callisto, Io, Europa • ringar

Io och Europa (Galileo, JPL/NASA) 57

Saturnus: • ekv.radie ≈ 60 000 km • omloppstid ≈ 29 år • rotationstid ≈ 10 h 34 min, snabb rotation ⇒ tillplattad form • medelavstånd från solen ≈ 9.2 AU • temperaturen ca -170o C • låg densitet: Mest H och He • ringsystemet består mest av is-bitar, eventuellt bara några m tjockt • månar: 62 (upptäckta), största månen Titan ↓ har atmosfär

Titan (Cassini-Huygens, ESA/NASA) 58

Uranus (upptäcktes 1781): • ekv. radie ≈ 26 000 km • omloppstid ≈ 84 år • rotationstid ≈ 17 h, axeln lutar 98o • temperaturen ca -210o C • medelavstånd från solen ≈ 19.2 AU • ringar upptäcktes 1977 • månar: 27 (upptäckta), största månen Titania

Uranus (Voyager 2, NASA)

59

Neptunus (upptäcktes 1846): • ekv. radie ≈ 25 000 km • omloppstid ≈ 164 år • rotationstid ≈ 16 h • temperaturen ca -220o C • medelavstånd från solen ≈ 30.1 AU • månar: 13 (upptäckta), största månen Triton

Neptunus (Voyager 2, NASA)

60

3.4

Övriga himlakroppar i solsystemet

Pluto (upptäcktes 1930): • planet av historiska orsaker till 2006, numera dvärgplanet • ekv. radie ≈ 1120 km • temperaturen ca -230o C • medelavstånd från solen ≈ 39.3 AU • excentrisk bana, tidvis närmare solen än Neptunus • består av is och sten • månar: Charon, Nix, Hydra och S/2011P1

Pluto med månar (H. Weaver (JHU/ APL), A. Stern (SwRI) & HST Pluto Companion Search Team) 61

Eris = “Xena” = UB313 (upptäcktes 2003): • ekv. radie ≈ 1200 km • avstånd från solen: 38–97 AU (excentrisk bana) • består antagligen av is, metan och sten • måne: Dysnomia

Eris och Dysnomia (W.M. Keck Observatory)

62

Asteroider: • storleken ca 10 m – 1000 km • förekommer främst i två asteroidbälten: 2.2–3.3 AU från solen och ett yttre bälte bortom Neptunus; Kuiper-bältet • > 1 miljon asteroider med diameter > 1 km i närmare bältet • delas i grupper, bl.a.: – C-asteroider (kol) – S-asteroider (sten) Bild: – R-asteroider (järn)

astro.geo.tu−dresden.de

Meteoroider: • mindre än asteroiderna (< 10m) • meteor om den träffar jordens atmosfär, meteorit om den når marken

63

Kometer: • typisk diameter: < 10 km • består mest av is och stoft: "smutsig snöboll" • excentriska eller hyperboliska banor • nära solen avger kometen gas och stoft, som bildar kometens svans • kometerna härstammar från Kuiper bältet och Oorts moln (upp till 50000 AU från solen) • gravitationella störningar är orsaken till kometernas excentrisk eller hyperboliska banor • kändaste återkommande komet: Halleys komet, omloppstid 76 år

Halleys komet (Giotto, Dr. H.U. Keller, Max-Palanck-Institut) 64

Kroppar som träffar jorden: • Hela tiden träffar små partiklar jordens atmosfär och brinner ⇒ meteorer. Stor meteor ⇒ bolid (eldklot) • Större sten- eller metall- Leoniderna (N ASA) kroppar kan nå jorden ⇒ meteorit • Vid asteroid- eller komet-träffar kan massiv skada uppstå: – Chicxulub kratern vid Yucatán: Ca 65 milj. år sedan, asteroid eller komet med diametern 10 km, förorsakade möjligen massdöden vid slutet av krita-perioden – Lappajärvi kratern: Ca 70 milj. år sedan, asteroid ց med diametern 500 m – Senaste större träff: Tunguska 1908 • Under en miljon år träffas jorden av i medeltal 2 asteroider med diameter ≥ 1 km 65

3.5

Solsystemets uppkomst

Solsystemets karakteristiska drag: • planeterna uppkom för ca 4.5 miljarder år sedan, dvs. nära tiden för solens uppkomst. • planeternas banor ligger nästan i samma plan som solens ekvator • planetbanorna är nära cirkulära • planeterna rör sig motsols runt solen, samma riktning som solen roterar • planeterna (utom Venus och Uranus) roterar motsols runt sin egen axel • planeternas (utom Neptunus) avstånd från solen följer i stort sett TitiusBodes lag: a = 0.4 + 0.3 · 2n med enheten 1 AU, n = −∞, 0, 1, 2... • planeterna står för 98 % av impulsmomentet i solsystemet men bara 0.15 % av den totala massan • de jordliknande planeterna är nära solen, jätteplaneterna är längre borta 66

Teorier om solsystemets uppkomst: a) Katastrofteorier • solsystemet har uppkommit genom en kollision eller nära passage av en annan stjärna • liten sannolikheten för planetsystem • framfördes på 1800-talet, numera förkastade b) Nebularteorier • solsystemet har uppkommit genom evolution av ett moln • planeter en naturlig del av stjärnors uppkomst • framfördes första gången på 1700talet av Immanuel Kant och Pierre Simon Laplace • nuvarande uppfattning om solsystemets uppkomst

67

Scenario för solsystemets uppkomst: 1. Ett roterande moln av gas och stoft sammandrogs genom sin egen gravitation. 2. Den innersta delen bildade protosolen. Kring solen bildades en protoplanetär skiva av gas och stoft. (Bild: STScI →) 3. Solens impulsmoment överfördes på den omgivande materian via dess magntefält. När fusionsreaktionerna kom igång förlorade solen ytterligare impulsmoment via solvinden. Solens rotation bromsades upp. 4. Genom kollisioner i den omgivande skivan koncentrerades materian i ett plan som var vinkelrätt mot rotationsaxeln.

68

5. Materian koncentrerades till gradvis större kroppar, planetesimaler. Nära den heta solen kunde endast metaller och silikater koncentreras, längre borta även is, metan, ammoniak. 6. Planetesimalerna kolliderade och koncentrerades gradvis i ännu större kroppar, planeterna uppkom. Resonanseffekter gjorde att planeterna uppkom på bestämda avstånd från solen. Planeterna samlade åt sig gas och från det omgivande molnet. 7. Solens närhet gjorde att gasen dunstade från de jordliknande planeterna (Venus’ och jordens atmosfärer tillkom senare). Jätteplaneterna kunde hålla kvar en tjock atmosfär. 8. Den starka solvinden blåste bort extra gas och stoft.

69

3.6

Andra planetsystem

Planetsytem är en naturlig biprodukt av stjärnors uppkomst. Det är dock svårt att direkt observera planeter på grund av deras svaga ljusstyrka. Planeter upptäcks indirekt genom bl.a.: 1. Stjärnors rörelse (Doppler förskjutning av spektral-linjer) 2. Förmörkelser (förändringar i ljusstyrkan när en planet passerar över en stjärna) 3. Planetens gravitation böjer ljuset från stjärnor i bakgrunden ⇒ gravitationslins Metod 1: Stjärnan och planeterna rör sig kring den gemensamma massmedelpunkten ⇒ stjärnan "vickar" av och an ⇒ periodvis Doppler förskjutning av våglängden av spektrala linjer.

70

Den första normala stjärnan med en planet som upptäcktes på detta sätt var 51 Peg. Sedan dess har ca 700 planetsystem detekterats. En planet upptäcks lättast om den är stor och nära en stjärna. Minsta upptäckta exoplanet ∼ 1.4 gånger jordens massa.

Uppgift 6: Jämför radialhastighetskurvorna för stjärn-planetsystemen 51 Peg och HD 168443. Vad kan man dra för slutsatser? Bilder: exoplanets.org, Butler & Marcy 71

Metod 2: Planetens bana råkar vara i ungefär samma plan som vi ser ⇒ förmörkelse när planeten passerar framför stjärnan. Ca 100 fall kända.

Planet passerar över stjärnan HD 209458 (animation: L. Cook)

Ljuskurva för HD 209458 under planet-passage (Hubble ST, STSci) 72

3.7

Liv utanför jorden (astrobiologi)

Hittills har man inte hittat direkta bevis för att det finns liv utanför jorden. Mycket tyder dock på att primitivt liv kan förekomma t.o.m. på andra platser i vårt solsystem: • Livet uppkom relativt kort efter jordens uppkomst • Primitivt liv förekommer under extrema omständigheter (extremofiler), t.ex. bakterier i geysir • Rätt komplicerade organiska molekyler förekommer i rymden Deinococcus radiodurans klarar radioaktiv strålning (NASA) Sökandet av primitivt liv i solsystemet: Mars och ett par av Jupiters och Saturnus’ månar. 73

Förutsättningar för jordens utvecklade liv: • lämplig mängd olika grundämnen • lämplig och jämn temperatur under lång tid • lämplig atmosfär • lämplig planetskorpa • tillräckligt med vatten • inte för mycket farlig strålning • inte för mycket komet- och asteroidträffar samt andra katastrofer • evolution

74

Varför jorden är "optimal": • Solen rätt typ av stjärna (lämplig ålder, temperatur, "metallhalt") • Inga närliggande objekt med stor gamma- eller röntgenstrålning • Jätteplaneten Jupiter "skyddar" jorden från komet- och asteroidträffar • Jorden på rätt avstånd från solen • Jorden har en stabil nästan cirkelformad bana • Jordens rotationstid är lämplig • Jordens rotationsaxel är lämplig • Jordens magnetfält skyddar mot partikelstrålning • Jordens atmosfär skyddar mot röntgenoch gammastrålning • Jorden har lämplig kärna, mantel och skorpa • Evolutionen har befrämjats av lämplig mängd katastrofer 75

Finns det liv på andra ställen i universum? Två motsatta synsätt: 1. Jordens liv beror på många mycket osannolika sammanträffanden ⇒ utvecklat liv av den typ jorden har är mycket sällsynt (se t.ex. Peter D. Ward & Donald Brownlee: Rare Earth) 2. Liv uppkommer även under extrema förhållanden och evolution är alltid möjlig ⇒ universum kryllar av liv (se t.ex. David Darling: Life Everywhere) Fermis paradox: • En tekniskt mycket utvecklad civilisation, kan sprida sig till stora områden i en galax ⇒ borde kunna märkas från långa avstånd • Var är de?

76

Sannolikheten för andra civilisationer i Vintergatan brukar uttryckas med Drakes formel: N = R∗ f p n e f l f i f c L • N = antalet tekniskt utvecklade civilisationer i Vintergatan vid en bestämd tidpunkt • R∗ = antalet stjärnor som föds per år ≈ 10/år • fp = andelen stjärnor med planetsystem • ne = antalet livsdugliga planeter/system • fl = sannolikheten att liv uppkommer på en livsduglig planet • fi = sannolikheten att evolutionen leder till intelligent liv • fc = sannolikheten att intelligent liv leder till en civilisation, • L = civilisationens medel-livslängd 77

Sökandet av spår av "intelligent" liv i universum, ex. SETI (Search for Extraterristrial Intelligence): • Främst radiovågor undersöks för att hitta konstgjorda signaler • Riktade signaler och visitkort har skickats, ex. plakett i Pioneersonden → • Inga tecken på andra civilisationer De stora avstånden i rymden samt ljusets begränsade hastighet gör kommunikation mellan olika världar närapå omöjlig. Uppgift 7: Anta att fp = 0.1, ne = 0.1, fl = 0.1, fi = 0.1, fc = 0.1 och L = 30000 år. Hur många civilisationer borde det finnas samtidigt i Vintergatan?

78