Гипотеза большого галса - Grand tack hypothesis

Юпитер мог сформировать Солнечную систему на ее великом пути

В планетарной астрономии , то великое липкости гипотеза предполагает , что Юпитер сформирован на уровне 3,5 AU , затем мигрировали внутрь 1,5 AU, перед разворотом конечно из - за захвата Сатурн в орбитальном резонансе , в конечном счете остановить вблизи ее текущей орбите на 5,2 AU. Обратное движение планет Юпитера можно сравнить с путем, по которому парусник меняет направление ( галсирует ), когда он движется против ветра.

Планетезималь диск усечен в 1.0 AU миграции Юпитера, ограничивая материал , доступного для формирования Марса . Юпитер дважды пересекает пояс астероидов , разбрасывая астероиды наружу, а затем внутрь. Получающийся в результате пояс астероидов имеет небольшую массу, широкий диапазон наклонов и эксцентриситетов, а также население, происходящее как внутри, так и за пределами первоначальной орбиты Юпитера. Обломки, образовавшиеся в результате столкновений планетезималей, проносившихся перед Юпитером, возможно, привели к Солнцу раннее поколение планет .

Описание

Согласно гипотезе большого хода Юпитер прошел двухфазную миграцию после своего образования, мигрировав внутрь на 1,5  а.е., прежде чем изменить курс и мигрировать наружу. Формирование Юпитера происходило около линии льда , примерно на 3,5 а.е.

После очистки промежутка в газовом диске Юпитер претерпел миграцию типа II , медленно двигаясь к Солнцу вместе с газовым диском. Если бы эта миграция не прерывалась, Юпитер оставался бы на близкой орбите вокруг Солнца, как недавно обнаруженные горячие Юпитеры в других планетных системах. Сатурн также мигрировал к Солнцу, но, будучи меньше, он мигрировал быстрее, претерпевая миграцию типа I или беглую миграцию. Сатурн сошелся с Юпитером и во время этой миграции был захвачен в резонансе среднего движения 2: 3 с Юпитером. Затем вокруг Юпитера и Сатурна образовался перекрывающийся зазор в газовом диске, изменив баланс сил на этих планетах, которые начали мигрировать вместе. Сатурн частично очистил свою часть промежутка, уменьшив крутящий момент, оказываемый на Юпитер внешним диском.

Затем общий крутящий момент на планетах стал положительным, при этом крутящий момент, создаваемый внутренними резонансами Линдблада, превысил крутящий момент внешнего диска, и планеты начали мигрировать наружу. Миграция наружу могла продолжаться, потому что взаимодействия между планетами позволяли газу течь через щель. Газ обменивался угловым моментом с планетами во время своего прохождения, добавляя к положительному балансу моментов, позволяя планетам перемещаться наружу относительно диска; обмен также передавал массу с внешнего диска на внутренний диск. Перенос газа на внутренний диск также замедлил уменьшение массы внутреннего диска по сравнению с внешним диском по мере его аккреции на Солнце, что в противном случае ослабило бы внутренний крутящий момент, что положило бы конец миграции планет-гигантов наружу. В гипотезе «большого пути» предполагается, что этот процесс обратил вспять внутреннюю миграцию планет, когда Юпитер находился на высоте 1,5 а.е. Миграция Юпитера и Сатурна наружу продолжалась до тех пор, пока они не достигли конфигурации с нулевым крутящим моментом внутри расширяющегося диска или когда газовый диск рассеялся. Предполагается, что весь процесс закончится, когда Юпитер достигнет своей приблизительной текущей орбиты.

Сфера действия гипотезы грандиозной цели

Гипотеза может быть применена к множеству явлений в Солнечной системе.

Проблема Марса

«Марс проблема» конфликт между некоторым моделированием формирования планет земной группой, которые заканчиваются с 0,5-1,0  M 🜨 планетами в своем регионе, гораздо больше , чем фактическая масса Марса: 0,107  М 🜨 , когда начались с планетезималями распределены по всей внутренней Солнечной системе. Великий курс Юпитера решает проблему Марса, ограничивая материал, доступный для образования Марса.

Внутренняя миграция Юпитера изменяет это распределение материала, вытесняя планетезимали внутрь, чтобы сформировать узкую плотную полосу со смесью материалов внутри 1,0  а.е. , и оставляет область Марса в значительной степени пустой. Планетарные зародыши быстро образуются в узкой полосе. Большинство этих эмбрионов сталкиваются и сливаются, образуя более крупные планеты земной группы ( Венера и Земля ) в течение периода от 60 до 130 миллионов лет. Другие рассеяны за пределами полосы, где они лишены дополнительного материала, что замедляет их рост, и образуют планеты земной группы с меньшей массой Марс и Меркурий .

Пояс астероидов

Юпитер и Сатурн вытесняют большинство астероидов со своих первоначальных орбит во время своих миграций, оставляя после себя возбужденный остаток, полученный как внутри, так и за пределами первоначального местоположения Юпитера. До миграции Юпитера окружающие регионы содержали астероиды, состав которых менялся в зависимости от расстояния от Солнца. Каменистые астероиды доминировали во внутренней области, в то время как более примитивные и ледяные астероиды доминировали во внешней области за линией льда. Когда Юпитер и Сатурн движутся внутрь, ~ 15% внутренних астероидов рассеиваются наружу на орбиты за пределами Сатурна. После изменения курса Юпитер и Сатурн сначала сталкиваются с этими объектами, рассеивая около 0,5% первоначального населения обратно на стабильные орбиты. Позже, когда Юпитер и Сатурн мигрируют во внешнюю область, около 0,5% примитивных астероидов рассеиваются по орбитам внешнего пояса астероидов. Встречи с Юпитером и Сатурном оставляют многие захваченные астероиды с большими эксцентриситетами и наклонами . Они могут быть уменьшены во время нестабильности планеты-гиганта, описанной в модели Ниццы, так что распределение эксцентриситета будет напоминать распределение эксцентриситета в текущем поясе астероидов. Некоторые из ледяных астероидов также остаются на орбитах, пересекающих регион, где позже сформировались планеты земной группы, позволяя доставлять воду к аккрецирующим планетам, как при столкновении с ними ледяных астероидов.

Отсутствующие суперземли

Отсутствие суперземли на близких орбитах в Солнечной системе также может быть результатом внутренней миграции Юпитера. По мере того как Юпитер движется внутрь, планетезимали захватываются резонансами среднего движения, в результате чего их орбиты сокращаются, а их эксцентриситет увеличивается. Столкновительная каскад следует как относительные скорости планетезималей стали достаточно большими , чтобы произвести катастрофические последствия. Образовавшиеся обломки затем по спирали движутся внутрь к Солнцу из-за сопротивления газового диска. Если бы в ранней Солнечной системе были суперземли, они бы уловили большую часть этого мусора в резонансах и могли бы попасть в Солнце, когда этот мусор по спирали устремился внутрь. Нынешние планеты земной группы затем сформировались бы из планетезималей, оставшихся после того, как Юпитер изменил курс. Однако миграции суперземель, находящихся на близкой орбите, к Солнцу можно было бы избежать, если бы обломки слились в более крупные объекты, уменьшив сопротивление газа; и если бы протопланетный диск имел внутреннюю полость, их перемещение внутрь могло бы быть остановлено около его края. Если бы во внутренней Солнечной системе еще не образовались планеты, разрушение более крупных тел во время каскада столкновений могло бы оставить оставшиеся обломки достаточно маленькими, чтобы их вытолкнул наружу солнечный ветер, который был бы намного сильнее во время ранней Солнечной системы. , оставляя мало для образования планет внутри орбиты Меркурия.

Более поздние разработки

Моделирование образования планет земной группы с использованием моделей протопланетного диска, которые включают вязкое нагревание и миграцию планетарных эмбрионов, показывают, что миграция Юпитера могла измениться на 2,0 а.е. В симуляциях эксцентриситет зародышей возбуждается возмущениями Юпитера. Поскольку эти эксцентриситет демпфируются более плотным газовым диском последних моделей, большие полуоси эмбрионов сжимаются, смещая пиковую плотность твердых частиц внутрь. Для моделирования с изменением миграции Юпитера в обратном направлении на 1,5 а.е., это привело к формированию самой большой планеты земной группы около орбиты Венеры, а не на орбите Земли. Моделирование, которое вместо этого изменило миграцию Юпитера на 2,0 а.е., дало более точное соответствие с текущей Солнечной системой.

Когда фрагментация из-за столкновений «наезд и бегство» включена в моделирование с ранней нестабильностью, орбиты планет земной группы воспроизводятся лучше. Большее количество малых тел, возникающих в результате этих столкновений, уменьшает эксцентриситет и наклон орбит растущих планет за счет дополнительных столкновений и динамического трения. Это также приводит к тому, что большая часть массы планет земной группы концентрируется на Венере и Земле, и увеличивает время их формирования по сравнению с Марсом.

Миграция планет-гигантов через пояс астероидов создает всплеск скорости столкновения, который может привести к образованию хондритов CB. Хондриты CB представляют собой богатые металлами углеродистые хондриты, содержащие железо-никелевые конкреции, которые образовались в результате кристаллизации ударных расплавов через 4,8 ± 0,3 млн лет после первых твердых частиц. Испарение этих металлов требует ударов со скоростью более 18 км / с, что значительно превышает максимальное значение 12,2 км / с в стандартных моделях аккреции. Миграция Юпитера через пояс астероидов увеличивает эксцентриситет и наклон астероидов, в результате чего период столкновения со скоростью 0,5 млн. Лет достаточен для испарения металлов. Если бы образование CB-хондритов было связано с миграцией Юпитера, это произошло бы через 4,5-5 млн лет после образования Солнечной системы.

Присутствие плотной атмосферы вокруг Титана и ее отсутствие вокруг Ганимеда и Каллисто может быть связано со временем их образования относительно великого галса. Если бы Ганимед и Каллисто сформировались до грандиозного галса, их атмосферы были бы потеряны, поскольку Юпитер приближался к Солнцу. Однако, чтобы Титан избежал миграции Типа I на Сатурн и чтобы атмосфера Титана выжила, она должна была сформироваться после грандиозной атаки.

Встречи с другими эмбрионами могут дестабилизировать диск, вращающийся вокруг Марса, уменьшив массу лун, образующихся вокруг Марса. После того, как Марс рассеивается из кольцевого пространства в результате столкновений с другими планетами, он продолжает встречаться с другими объектами до тех пор, пока планеты не очистят материю от внутренней части Солнечной системы. Хотя эти встречи позволяют орбите Марса отделиться от других планет и оставаться на стабильной орбите, они также могут нарушить диск материала, из которого формируются луны Марса. Эти возмущения заставляют материал уходить с орбиты Марса или ударяться о его поверхность, уменьшая массу диска, что приводит к образованию спутников меньшего размера.

Потенциальные проблемы

Большая часть аккреции Марса должна была произойти за пределами узкого кольцевого пространства материала, образованного грандиозным галсом, если Марс имеет другой состав, чем Земля и Венера. Планеты, которые растут в кольце, созданном грандиозным галсом, имеют аналогичный состав. Если грандиозный поворот произошел рано, а зародыш, ставший Марсом, был относительно небольшим, мог бы сформироваться Марс с другим составом, если бы он вместо этого был рассеян вовне, а не внутрь, как астероиды. Вероятность этого составляет примерно 2%.

Более поздние исследования показали, что сходящаяся орбитальная миграция Юпитера и Сатурна в исчезающей солнечной туманности вряд ли приведет к резонансу среднего движения 3: 2. Вместо того, чтобы поддерживать более быструю безудержную миграцию, условия туманности приводят к более медленной миграции Сатурна и его захвату в резонансе среднего движения 2: 1. Захват Юпитера и Сатурна в резонансе среднего движения 2: 1 обычно не меняет направление миграции, но были идентифицированы определенные конфигурации туманностей, которые могут стимулировать миграцию наружу. Эти конфигурации, однако, имеют тенденцию возбуждать эксцентриситет орбиты Юпитера и Сатурна до значений, от двух до трех раз превышающих их фактические значения. Кроме того, если температура и вязкость газа позволяют Сатурну создавать более глубокий зазор, результирующий крутящий момент может снова стать отрицательным, что приведет к перемещению системы внутрь.

Сценарий большого курса игнорирует продолжающееся увеличение количества газа как на Юпитере, так и на Сатурне. Фактически, чтобы вызвать внешнюю миграцию и переместить планеты к их текущим орбитам, солнечная туманность должна была содержать достаточно большой резервуар газа вокруг орбит двух планет. Однако этот газ станет источником аккреции, которая повлияет на рост Юпитера и Сатурна и их соотношение масс. Тип плотности туманностей, необходимый для захвата в резонансе среднего движения 3: 2, особенно опасен для выживания двух планет, поскольку может привести к значительному росту массы и последующему рассеянию планеты-планеты. Но условия, приводящие к резонансным системам среднего движения 2: 1, также могут подвергнуть опасности планеты. Аккреция газа на обеих планетах также имеет тенденцию уменьшать приток газа к внутреннему диску, что снижает скорость аккреции к Солнцу. Этот процесс работает, чтобы несколько истощить внутреннюю часть диска до орбиты Юпитера, ослабляя вращающие моменты на Юпитере, возникающие из-за внутренних резонансов Линдблада, и потенциально прекращая внешнюю миграцию планет.

Альтернативы

Было предложено множество гипотез, объясняющих небольшую массу Марса. Небольшой Марс мог быть маловероятным событием, поскольку он происходит в небольшой, но ненулевой части моделирования, которое начинается с планетезималей, распределенных по всей внутренней Солнечной системе. Маленький Марс мог быть результатом того, что его область была в значительной степени пустой из-за того, что твердый материал дрейфовал дальше внутрь до образования планетезималей. Большая часть массы также могла быть удалена из области Марса до того, как она сформировалась, если бы неустойчивость гигантской планеты, описанная в модели Ниццы, возникла раньше. Если большая часть роста планетезималей и эмбрионов на планетах земной группы происходила из-за аккреции гальки , небольшой Марс мог быть результатом этого процесса, который был менее эффективным с увеличением расстояния от Солнца. приведет к образованию планет земной группы только на таком расстоянии, оставив Марс в виде застрявшего эмбриона. Широкие вековые резонансы во время очистки газового диска также могут вызывать наклоны и эксцентриситет, увеличивая относительные скорости, так что столкновения приводят к фрагментации, а не аккреции. Ряд этих гипотез может также объяснить небольшую массу пояса астероидов.

Также был предложен ряд гипотез для объяснения эксцентриситетов и наклонов орбит астероидов и малой массы пояса астероидов. Если бы область пояса астероидов была изначально пуста из-за образования там нескольких планетезималей, она могла быть заселена ледяными планетезималиями, которые были разбросаны внутрь во время газовой аккреции Юпитера и Сатурна, а также каменными астероидами, которые были разбросаны наружу формирующимися планетами земной группы. Рассеянные внутрь ледяные планетезимали также могли доставлять воду в земные районы. Первоначально маломассивный пояс астероидов мог бы иметь эксцентриситеты и наклонения орбиты, возбужденные вековыми резонансами, если бы резонансные орбиты Юпитера и Сатурна стали хаотичными до того, как модель Ниццы стала нестабильной. Эксцентриситет и наклон астероида также могут быть возбуждены во время нестабильности планеты-гиганта, достигая наблюдаемых уровней, если она продлится несколько сотен тысяч лет. Гравитационные взаимодействия между астероидами и зародышами в первоначально массивном поясе астероидов усилили бы эти эффекты, изменив большие полуоси астероидов, вынудив многие астероиды выйти на нестабильные орбиты, где они были удалены из-за взаимодействия с планетами, что привело к потере более чем 99% его массы. Вековые резонансные колебания во время диссипации газового диска могли возбуждать орбиты астероидов и удалять многие из них по спирали к Солнцу из-за сопротивления газа после возбуждения их эксцентриситетов.

Также было предложено несколько гипотез об отсутствии суперземли на близкой орбите и небольшой массе Меркурия . Если бы ядро ​​Юпитера сформировалось близко к Солнцу, его внешняя миграция через внутреннюю часть Солнечной системы могла бы вытолкнуть материал наружу в своих резонансах, оставив область внутри орбиты Венеры истощенной. В протопланетном диске, который развивался под действием дискового ветра, планетарные зародыши могли мигрировать наружу, прежде чем слиться с образованием планет, оставив Солнечную систему без планет внутри орбиты Меркурия. в формировании больших планет земной группы на таком расстоянии, оставив Меркурий в виде застрявшего эмбриона. Раннее поколение внутренних планет могло быть потеряно из-за катастрофических столкновений во время нестабильности, в результате чего обломки оказались достаточно маленькими, чтобы их можно было потерять из-за сопротивления Пойнтинга-Робертсона. Если бы образование планетезималей произошло только рано, внутренний край планетезимального диска мог быть расположен на линии конденсации силикатов в это время. Формирование планетезималей ближе, чем орбита Меркурия, возможно, потребовало, чтобы магнитное поле звезды было выровнено с вращением диска, что позволило истощить газ, так что отношения твердого вещества к газу достигли значений, достаточных для возникновения нестабильности потоков . Для образования суперземли может потребоваться больший поток дрейфующих камешков, чем это было в ранней Солнечной системе. Планетезимали, вращающиеся в протопланетном диске ближе, чем 0,6 а.е., возможно, разрушились из-за встречного ветра. Ранняя Солнечная система, которая была в значительной степени истощена материалом, могла привести к образованию небольших планет, которые были потеряны или уничтожены в результате ранней нестабильности, оставив только Меркурий или образование только Меркурия.

Смотрите также

использованная литература