Αποκρυπτογραφώντας την τροχιακή και φασματική κατανομή των αστεροειδών

Κλεομένης Τσιγάνης

Σεμινάριο στα πλαίσια του μαθήματος ΠΕΔΠ, 11/1/2012

Περίληψη ομιλίας

● Βασικοί πληθυσμοί μικρών πλανητών στο ηλιακό σύστημα - κύρια ζώνη των αστεροειδών

- παραγήινοι αστεροειδείς- χαρακτηριστικά τροχιάς / φασματικοί τύποι- κύρια δυναμικά χαρακτηριστικά

● Εντοπισμός της περιοχής προέλευσης (parent boby?) ενός NEA- η περίπτωση του (3200) Phaethon- η περίπτωση του 1999RQ36 (OSIRIS-REx)

● Πρώιμα στάδια εξέλιξης της κύριας ζώνης- μετανάστευση πλανητών- χαοτική σύλληψη αστεροειδών πρώιμου τύπου (D/P-types)

Που βρίσκονται οι μικροί πλανήτες;

στερεοί πλανήτεςΓίγαντες αερίου/πάγου

Κύρια ζώνη των ΑστεροειδώνΖώνη του Kuiper

Ζώνη του Kuiper

* Η κατανομή των τροχιών των μικρών σωμάτων (αστεροειδείς, κομήτες) είναι η κύρια πηγή πληροφορίας, σχετικά με τη δυναμική εξέλιξη του ΗΣ.

κύρια ζώνη των αστεροειδών(main asteroid belt)

Παραγήινοι αστεροειδείς (NEAs)

Τρωικοί (Trojans)

Στοιχεία της τροχιάς

a(1 - e

) ● Οι τροχιές των πλανητών είναι (σε πρώτη προσέγγιση) ελλειπτικές (νόμοι Kepler)

a = μεγάλος ημιάξοναςe = εκκεντρότητα i = κλίση του επιπέδου της τροχιάς

* αγνοούμε τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις με τους πλανήτες→ παρέλξεις → (ημι-)περιοδικές ή χαοτικές μεταβολές των στοιχείων της τροχιάς...

Αστεροειδείς Κύριας Ζώνης (κατανομή N(a) )

Εστία Δήμητρα Σελήνη

Βασικά χαρακτηριστικά:

- διάκενα Kirkwood (δυναμική)

- “ανάμιξη” φασματικών τύπων, αλλά με σαφή τάση (πρώιμου τύπου σε μεγάλες τιμές του a).

* πάρα πολλοί τύπου D/P

Κατανομή (a,e,i)

Τα όρια της κατανομή στο χώρο (a,e,i) καθορίζονται από τις θέσεις των ισχυρών συντονισμών

- Kirkwood gaps → συντονισμοί μέσης κίνησης

n/nj = k/q

- σημαντικό ρόλο παίζουν οι αιώνιοι συντονισμοί (secular resonances):dωdt

= ⟨ωJ ,S ⟩

dΩdt

= ⟨ΩS ⟩

ν5,6

ν16

Κατανομή των ΝΕΑs- πιθανώς “επικίνδυνοι” για τη Γη

- Βασικοί στόχοι διαστημικών αποστολών (sample return missions)

● τουλάχιστον 2 αποστολές: - Osiris REx (NASA)- Hayabusa 2 (JAXA)

* μπορούμε να συνδέσουμε κάποιον NEA με την περιοχή προέλευσής του (στην κύρια ζώνη) ;

Προέλευση των NEAs:

O αστεροειδής κινείται στην περιοχή 1 της ΚΖ σε συντονισμό με το Δία ...→ η εκκεντρότητα της τροχιάς του αυξάνει → η τροχιά του να τέμνει αυτήν του Άρη ή/και της Γης (θέση 2)→ οι πολύ ισχυρές παρέλξεις της Γης τον “αποσπούν” από την ΚΖ

● Ο “μέσος χρόνος ζωής” των NEA είναι ~10 My

● Οι κύριες “πηγές τροφοδοσίας” είναι οι περιοχές των συντονισμών 3 :1 και ν6

Μοντέλο κατανομής των NEAs: (Bottke et al 2002)

Για κάθε πιθανή “πηγή” (περιοχή) ΝΕΑs:

- υπολογίζουμε τις τροχιές χιλιάδων δυνητικών αστεροειδών - καταγράφουμε πόσο χρόνο διαμένουν σε κάθε υπο-περιοχή των NEAs → χρησιμοποιούμε τις παρατηρήσεις για να “ζυγίσουμε” τη συνεισφορά κάθε πηγής

→ υπολογίζουμε την πιθανότητα ένα NEA με συγκεκριμένη τροχιά (a,e,i) να έχει προέλθει από κάθε συγκεκριμένη πηγή

- συνδυάζουμε τυχόν επιπλέον πληροφορίες …

Ταυτοποίηση περιοχής προέλευσης / parent body των NEAs

- Το μοντέλο των Bottke et al (2002) δίνει την πιθανότητα κάθε NEA να προέρχεται από κάποια περιοχή της KZ

Κύριες πηγές (σε κάθε περιοχή) είναι οι οικογένειες αστεροειδών

Καθεμιά έχει διαφορετικά δυναμικά και φασματικά χαρακτηριστικά → αποτυπώνονται στην τροχιά του NEA

Η περίπτωση του 1999RQ36

Nysa-Polana family

Εφαρμογή του μοντέλου των Bottke et al: p=95% → v6 και p=5% → 3:1

→ 2.1 AU < a < 2.5 AU → i ~ 5 deg (αφού ο ν6 δεν επηρεάζει την κλίση)

* ποιές οικογένειες έχουν ίδιο φασματικό τύπο (B) και πληρούν τα παραπάνω κριτήρια;

→ μόνο η οικογένεια Nysa-Polana

check: η “ηλικία” της είναι κατάλληλη ώστε σώματα με διάμετρο <2km να έχουν φτάσει στον ν6 (~2.15 AU)

Ταυτοποίηση parent body του (3200) PhaethonΔιδυμίδες (geminids) = βροχή μετεώρων (Δεκ.)

→ η μόνη που γνωρίζουμε ότι δεν σχετίζεται με κάποιον κομήτη αλλά με τον NEA (3200) Phaethon...

* Προσοχή: το φάσμα του (3200) Phaethon είναι πολύ ιδιαίτερο

→ απ' όλους τους αστεροειδείς τύπου B της ΚΖ, μοιάζει μόνο με αυτούς της οικογένειας της (2) Pallas

Στα οπτικά μ.κ.→ ταυτόσημο με το φάσμα των μικρών μελών της οικογένειας

Στο υπέρυθρο (NIR)→ ταυτόσημο με το φάσμα του (2) Pallas

χ2-test→ τα “εγγύτερα” φάσματα ανήκουν στην ίδια οικογένεια*

check: η διασπορά θραυσμάτων δείχνει ότι μεγάλο ποσοστό σωμάτων με D~5 km έχουν εισέλθει σε παρακείμενους συντονισμούς

8:3

Δυναμική των θραυσμάτων της Παλλάδας

95% διαφεύγει γρήγορα από τη ζώνη

→ περίπου 3% παραμένει στην περιοχή των NEAs αρκετά My

→ σε τροχιές που μοιάζουν πολύ με αυτή του Phaethon

Στατιστική: η τροχιά του Phaethon καταλαμβάνει μια περιοχή τιμών των (a,e,i) στην οποία το χρόνικό διάστημα παραμονής των θραυσμάτων της Παλλάδας είναι μέγιστο!

Η εποχή της μετανάστευσης των πλανητών● Οι “αρχικές” τροχιές των μεγάλων πλανητών πρέπει να ήταν πολύ διαφορετικές!(πιο κοντά στον Ήλιο και πιο κοντά ο ένας στον άλλο)→ ώστε ο χρόνος σχηματισμού του “πυρήνα” του Ποσειδώνα να είναι < 10 My → μόνο αν μετανάστευσαν μπορούμε να ερμηνεύσουμε την κατανομή των τροχιών στη ζώνη Kuiper!→ η μετανάστευσης θα “αφαιρούσε” το ~99% της συνολικής μάζας στην “πρωταρχική” ζώνη Kuiper που απαιτείται για το σχηματιστό αντικειμένων με διάμετρο > 1.000 km (p.x. Πλούτων, Έρις, κ.α.)

Το “μοντέλο της Νίκαιας” ερμηνεύει:

1. τις τελικές τροχιές των πλανητών2. τα κύρια χαρακτηριστικά του LHB 3. Την κατανομή των τροχιών στη ζώνη Kuiper κ.α. και...

Έχουν προταθεί 2 τύποι μετανάστευσηςομαλή

χαοτική

Κριτήριο επιλογής: η εξέλιξη της ζώνης των αστεροειδών

... ερμηνεύει την ύπαρξη “κομητικού τύπου” αστεροειδών (D/P-type asteroids) στην κύρια ζώνη και την περιοχή των Τρωικών

*μετανάστευση “χαοτικού τύπου”:

→ μεγάλες περιοχές του χώρου των φάσεων γίνονται χαοτικές για ένα χρονικό διάστημα

→ υλικό “κομητικής προέλευσης” μπορεί να εισέλθει και να παγιδευτεί σε (τώρα) ευσταθείς περιοχές.

Χαοτική σύλληψη

Συμπεράσματα

● Ο κατάλληλος συνδυασμός δυναμικού μοντέλου και φασματοσκοπικών δεδομένων μπορεί να οδηγήσει:

- στον εντοπισμό της περιοχής προέλευσης ενός NEA- στην ταυτοποίηση του μητρικού σώματος (phaethon)

- ερμηνεία της ύπαρξης πληθώρας αστεροειδών πρώιμου τύπου (D/P) ή/και transition objects (αστεροειδείς-κομήτες)