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1、太阳系的形成和演化,主要限制条件：行星系统在一平面内，轨道和太阳自转同一方向小行星和太阳年龄近似相同，现在分布主要在二个带上行星的轨道近似圆内部岩石行星外部气体巨行星彗星主要有二类:Oort星云和Kuiper带太阳系主要质量太阳而主要角动量在行星多数卫星轨道和行星自转方向一致,行星同一平面,相同的转动方向以及自转的方向基本相同应该行星形成的特征,而不是轨道动力学演化的特征小行星和彗星的较大的倾角/偏心率是与行星散射的动力学演化结果,哪些是长期演化的结果，哪些是形成特征？,太阳系的起源,历史上存在二大学说,碰撞假说和星云假说1.碰撞假说(Encounter Hypothesis)Le Clerc
2、(Comte de Buffon)in 1745T.C.Chamberlain in early 20th century2.星云假说(Nebular Hypothesis)Descartes 1644,Immanuel Kant 1755Laplace 1796,Dualistic Hypothesis,问题:非常小概率事件,但现在观测到行星存在相当普遍行星的成分,Nebular Hypothesis,Planets on the same planeRotates on the direction,Star Birth,Orion Nebula,Beta Pictoris(2Myr),Ed
3、ge-on Protoplanetary Disk in the Orion Nebula,Disk of Debris Around Red Dwarf Star AU Microscopii,观测和理论研究都倾向于星云假说,原恒星(proto-star)早期演化阶段,引力不稳定 原初恒星 增长一有一吸积过程,磁作用,外流使恒星损失角动量。观测推断气体盘存在的时间为106-107yr(Strom et al.1989,AJ,97,1451;Haisch,Lada&Lada 2001 ApJ,553,L153),Planets on the same planeRotates on the d
4、irection,温度 10-30 K尺度 几百光年 质量 106 MSun化学成份 98%H and He 1.4%“ices”0.4%“rock”0.2%metal,ORION NEBULA,How to form metal/rock-dominated earth-like planets?,巨分子云,当外质停止,盘冷却,岩石和冰尘埃颗粒沉到吸积盘的中心原行星盘(protoplanetary disk)。这些早期尘埃包括在太阳系中碳质球粒陨石(carbonaceous chondrite meteorites)中探测到钙铝包体(Calcium-Aluminium Inclusion)，
5、包括元素Al,Ca,Ti 和示踪元素Zr,Hf,U,Th,反射金属W,Ir,Os等，形成温度2000K。,Allende,Yukon,&Murchison meteorites,形成行星的物质分摊到原初行星盘上给出盘的质量分布，这些物质中大部分被吸积到太阳或者吹出。内行星，即使所有的金属都沉积到尘埃中，尘埃占总质量比在内太阳系大概5%左右，内行星的质量X20；外行星H,He主导，比例高一些 太阳系的原星星盘质量0.01-0.02M,最小质量的太阳系原初行星盘,但在小行星带处下降。,厚度h=c/1000 km,Weidenschilling(1977，Ap&SS,51,153)，Hayashi(
6、1981，Prog.of Theor.Phy.Supp.,70,35),Real mass distribution is still uncertain,seeDesch(2007,ApJ,671,878)for a steady disk model incorporating the Nice model and Mitchell&Steward(2010,arxiv/1009.0480)for a time dependent disk model,Outer disk radius is truncated via photo-evaporation by FUV photons f
7、rom nearby young stars,原行星盘温度沿径向有一定的分布(粘滞产能和辐射平衡,Shakura 霜线外形成岩石和冰晶,尘埃的凝点1000-2000K怎么形成的，或者说怎么到外太阳系的？,行星形成的过程(Safronov 1969）,从尘埃到km尺度的星子(planetesimals)通过微观的过程,尘埃-尘埃颗粒碰撞粘合在一起.形成过程必须快,尘埃和气体作用下落 从星子到月球大小的天体(行星胎embryos)星子的碰撞和合并导致了更大天体的形成 引力作用天体 从行星 embryos到类地行星和巨行星的核 引力扰动引起它们轨道相交撞击,形成 吸积气体形成巨行星(Safronov
8、;Cameron 1973;Perri-Carmeron 1974),从尘埃到星子,可能途径,但物理过程没有很好理解,引力不稳定性(Goldreich Youdin&Shu 2002)尘埃沉积到吸积盘的中部,形成一致密的薄层,引力不稳定,在动力学时标上(100yr)形成1-10 km 大小的天体 K-H不稳定性是否被抑制？尘埃的凝结Coagulation(Weidenschilling&Cuzzi 1993)尘埃粒子之间碰撞聚合一 起，如果100%粘合,10000年之内就能形成1m的天体 粘合机制不清楚“奇异”的机制:蜗旋,湍流聚集等.机制不清楚,后面二点实验室天体物理Wurm et al.2
9、001,Icarus,151,318,Blum et al.2004,PRL,93,115503,从planetesimals 到 Moon-size“embryos”,主要过程:很多星子(within 1 AU);轨道重叠;相互引力扰动激发轨道的偏心率和倾角,轨道动能变成无规运动动能低速的碰撞星子增长,高速碰撞碎裂星子扫过的小天体的速率(Safronov 1969),开始相对速度由星子的质量分布决定，比较小，质量大的增长快,runaway growth,一直到星子质量到10-5M,相对速度由大天体引力扰动主导，吸收速度变慢。,具体计算主要通过模拟的方法 在1AU处形成月亮大小(1026 g)
10、需要105年,每个行星胎吸积食物带上的星子,带宽度由恒星的潮汐力和行星的引力比较给出(Hill半径),吸积结束后，盘的引力扰动，偏心率增大,Moon-forming impact(Canup 2004),从月亮大小的星胎到类地行星,由于引力激发,星胎之间轨道相交 大天体灾变式碰撞形成行星在108年,Evidence:Earth-Moon system:giant impact about 30 million yrs after Earth formed.Planetary obliquities,太阳系天体上布满了坑是早期频繁碰撞的结果,asteroid Eros(computer reco
11、nstruction),Saturns moon Dione,巨行星的形成,在太阳系的外部，由于冰尘埃存在，在慢速吸积阶段结束后形成的核要大，等质量超过一定临界质量时(10M)，吸积气体，增加质量(Cameron 1973)。最后行星的质量到周围的气体吸积完以后,在盘上形成gap；或者光蒸发气体盘消失。,21/24,The“Nice”Model,R.Gomes,H.F.Levison,K.Tsiganis&A.Morbidelli,Morbidelli,A.;Levison,H.F.;Tsiganis,K.;Gomes,R.(2005)Nature,435(7041),462465Tsigan
12、is,K.;R.Gomes,A.Morbidelli&H.F.Levison(2005),Nature,435(7041):459461R.Gomes,H.F.Levison,K.Tsiganis,A.Morbidelli(2005),Nature 435(7041):466,22/24,The“Nice”Model,主要图像原初的太阳系比今日致密，四个巨行星轨道在5.45 到14.2 AU之间,周围30-35AU星子 是星子的盘(比较：现在Jupiter:5.2,Neptune at 30.1AU,和Kuiper Belt 30-50 AU)主要物理过程Neptune拉星子向内，自己向外以保
13、证角动量守恒 这一过程一直将外面的planetsimal带的物质带到Uranus 和Saturn 当这些物质进入到木星时，情况不同；木星引力太强，多数小天体加速被抛出内太阳系，同时木星向内移动,23/24,The“Nice”Model,慢迁徙持续800 Myrs,木星和土星穿越1:2MMR轨道 二行星的相互作用使得土星的轨道偏心率增大,从而改变其他二个行星轨道 在4 Myrs,行星从原来位置变到现在的位置,planetesimals盘散开,损失97%的质量 小天体被抛向内部(Late Heavy Bombardment),或者 外部(Oort Cloud).,24/24,The“Nice”Mo
14、del,100 Myr,beginning ofplanetary migration,879 Myr,just beforereaching 1:2 MMR,882 Myr,just afterreaching 1:2 MMR,1082 Myr,final state,only 3%of initial disk mass remains.,Tsiganis,K.;Gomes,R.;Morbidelli,A.;Levison,H.F.,2005,Nature,435,459,26/24,The“Nice”Model,explains the actual position of the gi
15、ant planets and the Kuiper belt,explains the origin of the Oort cloud,solves the mystery of the missing mass in the Kuiper belt,Initial conditions for Nice model:Konstantin Batygin&Michael E.Brown,2010,arXiv:1004.5414v1,27/24,Source:Alessandro Morbidelli,Late Heavy Bombard at inner solar system as r
16、ecorded by Moons craters,800Myr after the formation of solar system.,Analysis of crater distribution on Mercury,Earth,Mars,and Vesta suggests LHB is a system scale event,主小行星带天体分布模拟和观测比较：a)实线均匀分布的天体经过4Gyr后依然在轨道的天体，阴影为观测比较样本；b)初始分布为实线，考虑轨道Jupiter 在4 Gyr前由于抛射小行星致 migration之后的，分布为阴影；c)最后结果与观测相符,Minton&
17、Malhotra，2009,Nature,Evidence for Jupiter migration,小行星的分布需要planet migration,月亮的形成,月球的化学成份:和地球相似但 核比较小,Lunar near and far sides,Old parts of the Moon are very heavily cratered.This indicates that early in the history of the Solar System the Moon and,by inference,Earth were very heavily bombarded by
18、highly destructive bullets from space(asteroids;comets)Oldest rocks on Earth are 3.85 Gy old.Older rocks were destroyed by impacts and erosion:There is nothing left of the earliest period of Earth history!,太阳系早期撞击事件很频繁,One or more large planetesimals collided with Venus and reversed its spin directi
19、on.,Venus,Spin direction of Venus,总 结,太阳系形成和演化的 基本图像已经确定，但很多物理过程没有理解清楚：星云塌缩，原初恒星形成，物质吸积，原初的行星盘；尘埃沉积，由于不稳定性或者其他机制，形成星子，星子并合形成星胎，星胎碰撞形成类地行星；在太阳系外部类地核吸积其他形成类木行星太阳系形成时更为致密，早期的动力学演化到现在状态 Nice模型,The atomic bomb dropped on Hiroshima was 20 kt(1 kt=1,000 t of TNT;1 mt=1,000 kt).Meteor Crater Arizona=3 mt=15
20、0 Hiroshima bombs.,Theories of Giant Planet FormationCore-nucleated accretion:Big rocks accumulated gasOne model for rocky planets,jovian planets,moons,cometsExplains composition vs.massDetailed models existTakes millions of yearsFragmentation during collapse:Planets form like starsRapidBinary stars
21、 are commonMass gapRequires M 7 MJSeparate model for solid bodies;no model for Uranus/NeptuneGravitational instability in disk:Giant gaseous protoplanetsRapid growth,but cooling rate limits contractionRequires unphysical initial conditions(density waves stabilize)Separate model for solid bodies;no g
22、ood model for Uranus/Neptune,Spiral wave,Spiral bending wave,This type of wave is produced by gravitational tugs by moons on inclined orbits as they venture just slightly out of the ringplane.,Dynamic Processes,Mean motion orbital resonance（MMOR）:当二个天体的转动周期为整数比时他们经受有规律的引力扰动。,天体m和大天体m，如果起始的共相位置偏离近心或者远心点，在共相点二个方向受力不对称，m获得角动量，m失去角动量，最后共相点往前移,轨道不闭合,
