F7514 Exoplanety 2-Sluneční soustava, planetární soustavy, jejich vznik a vývoj Marek Skarka 27.9.2023 ● Hvězdy vznikají v obřích molekulových mračnech Kolaps mezihvězdného mračna Kolaps mezihvězdného mračna ● Hvězdy vznikají v obřích molekulových mračnech Jeansovo kritérium -> Mrak začne kolabovat pouze pokud je teplota dostatečně nízká a hustota vysoká. Pro T~20 K a n~100 cm-3 je M~1000 Ms Kolaps mezihvězdného mračna ● Hvězdy vznikají v obřích molekulových mračnech Kolaps mezihvězdného mračna ● Do centrálních oblastí padá volným pádem hmota, oblast se stává neprůhlednou a zahřívá se ● Mrak se při smršťování roztáčí díky zákonu zachování momentu hybnosti -> vznik disku, zpomalení přísunu hmoty do centrálních oblastí ● Do centrálních oblastí padá volným pádem hmota, oblast se stává neprůhlednou a zahřívá se ● Mrak se při smršťování roztáčí díky zákonu zachování momentu hybnosti -> vznik disku, zpomalení přísunu hmoty do centrálních oblastí Kolaps mezihvězdného mračna Složka síly směřující k rovině oběhu -> materiál se sdružuje v disku ● Do centrálních oblastí padá volným pádem hmota, oblast se stává neprůhlednou a zahřívá se ● Mrak se při smršťování roztáčí díky Zákonu zachování momentu hybnosti -> vznik disku, zpomalení přísunu hmoty do centrálních oblastí Kolaps mezihvězdného mračna ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. Vznik planet I - akrece ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. Sicilia-Aguilar 2016, PASA, 33, 59 IR exces Vznik planet I - akrece ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. ● Centrální horké oblasti jsou zbaveny lehkých sloučenin a lehkých prvků, které jsou odsunuty do okrajových částí ● Kondenzují první prachová zrnka, která se dále spojují Vznik planet I - akrece ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. ● Centrální horké oblasti jsou zbaveny lehkých sloučenin a lehkých prvků, které jsou odsunuty do okrajových částí ● Kondenzují první prachová zrnka, která se dále spojují prach zrnka planetesimály planetární jádra planety 10-7 -10-3 m 10-3 -101 m 101 -103 m 103 -106 m >106 m 10-1 yr 101 -102 yr 104 -105 yr >106 yr Vznik planet I - akrece ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. ● Centrální horké oblasti jsou zbaveny lehkých sloučenin a lehkých prvků, které jsou odsunuty do okrajových částí ● Kondenzují první prachová zrnka, která se dále spojují prach zrnka planetesimály planetární jádra planety 10-7 -10-3 m 10-3 -101 m 101 -103 m 103 -106 m >106 m 10-1 yr 101 -102 yr 104 -105 yr >106 yr Öberg&Bergin 2020, arXiv:2010.03529 Vznik planet I - akrece ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. ● Centrální horké oblasti jsou zbaveny lehkých sloučenin a lehkých prvků, které jsou odsunuty do okrajových částí ● Kondenzují první prachová zrnka, která se dále spojují Öberg&Bergin 2020, arXiv:2010.03529Chemické složení zárodečného mraku stejné jako složení chondritů V disku i složitější molekuly Vznik planet I - akrece ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. ● Centrální horké oblasti jsou zbaveny lehkých sloučenin a lehkých prvků, které jsou odsunuty do okrajových částí ● Kondenzují první prachová zrnka, která se dále spojují Snow line, cca 3 au Vznik planet I - akrece ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. ● Centrální horké oblasti jsou zbaveny lehkých sloučenin a lehkých prvků, které jsou odsunuty do okrajových částí ● Kondenzují první prachová zrnka, která se dále spojují ● Terestrické planety ○ Vznik v horkých oblastech, husté prvky, malé hmotnosti planet ○ Sekundární atmosféry ○ Až 108 let ● Plynní obři ○ Ve vnějších oblastech, efektivnější spojování prachových zrn díky ledu, postupné nabalení okolního plynu, vznik primární atmosféry ○ cca 3x106 let - pak nedostatek plynu Öberg&Bergin 2020, arXiv:2010.03529 Hillova sféra - převládne gravitace planety vzdálenost Vznik planet I - akrece ● Do hry vstupují gravitace, odstředivé síly, gradient tlaku, magnetická pole, viskozita materiálu, později srážky a gravitační ovlivňování těles navzájem, migrace. ● Na póly hvězdy padá materiál, vznikají výtrysky z disku ve směru pólů, hvězda začíná zářit jako hvězda typu T Tau - infračervený exces. ● Centrální horké oblasti jsou zbaveny lehkých sloučenin a lehkých prvků, které jsou odsunuty do okrajových částí ● Kondenzují první prachová zrnka, která se dále spojují ● Terestrické planety ○ Vznik v horkých oblastech, vysoké hustoty, malé hmotnosti ○ Sekundární atmosféry ○ Až 108 let ● Plynní obři ○ Ve vnějších oblastech, efektivnější spojování prachových zrn díky ledu, postupné nabalení okolního plynu, vznik primární atmosféry ○ cca 3x108 let - pak nedostatek plynu Vznik planet ● Obří planety mohou vznikat i alternativní cestou přes gravitační nestability v disku Safronov-Toomreho nestabilita: Pro vzdálenost 10 au: cs ~0.5 km/s. Pro Q~1 je Σ~1500 g/cm-2 , hustota materiálu je ale jen Σ~54 g/cm-2 Tento proces může fungovat jen ve velmi hmotných a hustých discích Currie et al. 2022, NatAs, 6, 751 Vznik planet II - gravitační nestabilita ● Vlivem tření dochází k migraci planetesimál směrem k centru soustavy Vývoj soustav ● Vlivem tření dochází k migraci planetesimál směrem k centru soustavy ● Srážky mohou vést k destrukci či vychylování těles - různý sklon rotačních os planet a jejich oběžných drah, vznik Měsíce Vývoj soustav ● Vlivem tření dochází k migraci planetesimál směrem k centru soustavy ● Srážky mohou vést k destrukci či vychylování těles - různý sklon rotačních os planet a jejich oběžných drah, vznik Měsíce ● Gravitační ovlivňování může vést k migraci planet (horcí Jupiteři, prohození drah Uran-Neptun), zachycování těles (měsíce), velkému bombardování Vývoj soustav Tsiganis et al. 2005, Nature, 435, 26 ● Vlivem tření dochází k migraci planetesimál směrem k centru soustavy ● Srážky mohou vést k destrukci či vychylování těles - různý sklon rotačních os planet a jejich oběžných drah, vznik Měsíce ● Gravitační ovlivňování může vést k migraci planet (horcí Jupiteři, prohození drah Uran-Neptun), zachycování těles (měsíce), velkému bombardování ● Rezonance mohou vést k migraci či uzamknutí těles na určitých drahách (pás asteroidů, Trojané) Vývoj soustav Trojané (zeleně, 1:1) Hilda (fialová, 3:2) ● Vlivem tření dochází k migraci planetesimál směrem k centru soustavy ● Srážky mohou vést k destrukci či vychylování těles - různý sklon rotačních os planet a jejich oběžných drah, vznik Měsíce ● Gravitační ovlivňování může vést k migraci planet (horcí Jupiteři, prohození drah Uran-Neptun), zachycování těles (měsíce), velkému bombardování ● Rezonance mohou vést k migraci či uzamknutí těles na určitých drahách (pás asteroidů, Trojané) Vývoj soustav Proč jsou některé dráhy stabilní a jiné ne? ● Vlivem tření dochází k migraci planetesimál směrem k centru soustavy ● Srážky mohou vést k destrukci či vychylování těles - různý sklon rotačních os planet a jejich oběžných drah, vznik Měsíce ● Gravitační ovlivňování může vést k migraci planet (horcí Jupiteři, prohození drah Uran-Neptun), zachycování těles (měsíce), velkému bombardování ● Rezonance mohou vést k migraci či uzamknutí těles na určitých drahách (pás asteroidů, Trojané) Vývoj soustav Co hraje roli: - Kompaktnost systému - Excentricita dráhy - Velikost přiblížení - Blízkost rezonance s jiným tělesem Proč jsou některé dráhy stabilní a jiné ne? Vývoj soustav ● Vlivem tření dochází k migraci planetesimál směrem k centru soustavy ● Srážky mohou vést k destrukci či vychylování těles - různý sklon rotačních os planet a jejich oběžných drah, vznik Měsíce ● Gravitační ovlivňování může vést k migraci planet (horcí Jupiteři, prohození drah Uran-Neptun), zachycování těles (měsíce), velkému bombardování ● Rezonance mohou vést k migraci či uzamknutí těles na určitých drahách (pás asteroidů, Trojané) ● Blízké hvězdy mohou odfouknout atmosféry planet (např. HD 209458 b) Sluneční soustava Sluneční soustava Sluneční soustava Kamenné jádro velikosti terestrických planet + obal z lehčích sloučenin a plynů Jádro z prvků skupiny železa + obal z těžších sloučenin Sluneční soustava objekt r [au] poloměr [RZ ] hmotnost [MZ ] P [rok] hustota [kg/m3 ] excentricita inklinace [°] měsíce Merkur 0.4 0.4 0.06 0.24 5.4 0.205 7.01 0 Venuše 0.7 0.9 0.82 0.62 5.2 0.007 3.39 0 Země 1.0 1.0 1.0 1.0 5.5 0.016 0 1 Mars 1.5 0.5 0.11 1.88 3.9 0.093 1.85 2 Jupiter 5.2 11.2 317.8 11.9 1.3 0.049 1.3 79 Saturn 9.5 9.3 95.2 29.5 0.7 0.057 2.48 82 Uran 19.2 4.0 14.5 84.0 1.3 0.046 0.77 27 Neptun 30.1 3.9 17.2 164.8 1.8 0.009 1.77 14 Měsíce - 4x10-3 -0.4 10-9 -0.025 - ~1-5.5 0-1 0-90 - trpasličí planety 2.3-100 0.15-0.36 0.00015-0.0028 4.6-560 1.8-2.5 0.076-0.44 10-44 ? planetky 2.3-3.3 4x10-3 -0.4 10-10 -0.00015 - ~1-5.5 0-1 0-180 komety ~5-70000 ~1x10-3 ~10-12 ~10-106 ~0.3-0.7 0-1 0-180 - Sluneční soustava Planety obíhají zhruba v jedné rovině a ve stejném smyslu Planety nemají osy rotace kolmé k rovině oběhu! Sluneční soustava Sluneční soustava ● Proč je uspořádání planet jaké je? ● Proč jsou takové rozdíly mezi planetami? ● Proč je rozdílné jejich chemické složení a stavba? ● Proč jsou dráhy velkých těles téměř kruhové? ● Proč obíhají všechna tělesa zhruba ve stejné rovině a ve stejném smyslu? ● Proč jsou rotační osy některých planet skloněny vůči rovině oběhu? Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy ● Architektura Sluneční soustavy je velmi nezvyklá ● Proč nemáme malé terestrické planety nebo velké plynné planety uvnitř dráhy Merkuru? Proč je zde málo planet? Pozor na pozorovací bias! Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy ● Kde se vzali horcí Jupiteři? ● Jsou prázdná místa grafu skutečná? Proč je zde málo planet? horcí Jupiteři Pozor na pozorovací bias! Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy Většina exoplanet má větší excentricitu než planety Sluneční soustavy (speciálně HJs mají vysoké e, čím méně hmotná planeta, tím menší e, Winn&Fabrycky 2015, ARA&A, 53, 409) Pozor na pozorovací bias! Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy Pozor na pozorovací bias! Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy Čím větší metalicita, tím více planet všech typů Adibekyan 2019, Geosc, 9, 105 Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy Větší hvězdy mají větší obří planety - víc materiálu k tvorbě Pozor na pozorovací bias! Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy Pozor na pozorovací bias! Proč zde nejsou známé exoplanety? Sluneční soustava vs exoplanetární soustavy Kunimoto&Matthews 2020, AJ, 159, 248 - statistiké modely na základě dat z Keplera Současné statistiky naznačují, že většina planet je větších než Země a obíhají po drahách s periodami mezi 10 a 400 dny Otázky k řešení ● Proč je uspořádání planet Sluneční soustavy (SS) jaké je? ● Je skutečně SS výjimečná ve srovnání s ostatními soustavami? ● Proč jsou takové rozdíly mezi planetami? ● Proč je rozdílné chemické složení planet SS i jejich stavba? ● Proč se obří plynné planety SS nacházejí dále než terestrické planety? ● Proč jsou dráhy velkých těles SS téměř kruhové? ● Proč jsou rotační osy některých planet SS skloněny a jiných ne? ● Jak vznikají horcí Jupiteři a proč je nemáme ve SS? ● Co definuje architekturu systému? ● Proč nejsou žádné planety uvnitř Merkurovy dráhy? ● Co definuje horní mez hmotnosti konkrétní planety? ● Proč je více planet u hvězd s vyšší metalicitou? ● Jak moc ovlivňují naše metody naše výsledky? Architektura planetárních systémů Mishra et al. 2023, A&A, 670, 68 - 4 základní typy planetárních systémů Porovnání III. generace modelů BERN se 44 dobře popsanými systémy mající minimálně 4 planety Architektura planetárních systémů Mishra et al. 2023, A&A, 670, 68 Koeficienty podobnosti a variace z evolučních a genealogických metod Architektura planetárních systémů Mishra et al. 2023, A&A, 670, 68 Sluneční soustava ordered/similar/anti-ordered Syntetické modely s různým počátečními parametry: ● Hmotnost, životnost, metalicita protoplanetárního disku ● Poměr plynu a prachu ● Rychlost fotoevaporace ● Pozice planetárních embryí (100 MMěsíc ) ● Vnitřní okraj disku Konstanty: ● 1 Msun, viskozita materiálu, 100 300m planetesimál s danou hustotou Výsledky: ● “Similar” systémy jsou nejčastější ● Celková architektura závisí na hmotností embryí ● Planety v systémech “Similar” vznikly uvnitř sněhové linie (SL) ● Planety ostatních typů systémů nacházející se blíže než je SL vykazují tendenci k migraci dovnitř ● Planety daných hmotností mají podobnou architekturu i v rámci poloměrů a hustot ● Planety za SL obsahují mnohem více vody Architektura planetárních systémů Mishra et al. 2023, A&A, 670, 69 - Velkou roli při formování systémů hrají srážky (v “similar” systémech naprosto klíčové) a migrace planet. Konečná architektura silně závisí na hmotnosti disku, jeho životnosti a metalicitě Architektura planetárních systémů Winn&Fabrycky 2015, ARA&A, 53, 409 - rezonance jsou spíše výjimečné; planety u chladnějších hvězd obíhají kolmo k ose rotace hvězdy Sklon dráhy planet Albrecht et al. 2022, PASP, 134h2001 Attia et al. 2023, A&A, 674, 120 - Planety okolo teplejších hvězd mohou mít větší sklony - Chladné planety jsou spíše zarovnané - Planety okolo mladých hvězd mívají různé sklony drah Winn&Fabrycky 2015,ARA&A, 53, 409 - Kompaktní systémy s kamennými planetami jsou většinou dobře zarovnané s malými excentricitami Attia et al. 2023, A&A, 674, 120 Sklon dráhy planet Potřeba zjistit inklinaci dráhy a inklinaci a projekci sklonu 𝜆 Attia et al. 2023, A&A, 674, 120 vsini ze spekter, Prot z fotometrie, R z katalogu i~90° pro tranzitující planety Albrecht et al. 2022, PASP, 134h2001 Sklon dráhy planet Rossitter-McLaughlinův efekt - Změna profilu křivky radiálních rychlostí při tranzitu - určení 𝜆 Gaudi&Winn 2007, ApJ, 655, 550 Esposito et al. 2017, A&A, 601, 53 Sklon dráhy planet https://wasp-planets.net/tag/rossiter-mclaughlin-effect/ Rossitter-McLaughlinův efekt - Změna profilu křivky radiálních rychlostí při tranzitu - určení 𝜆 Sklon dráhy planet Interferometrie - v různých místech hvězdy různé rychlosti Skvrny - okamžik pozorování skvrny záleží na sklonu dráhy Asteroseismologie - rotační rozštěpení sektorálních módů pulzací Gravitační ztemnění u rychlých rotátorů Albrecht et al. 2022, PASP, 134h2001 Kepler-56 Beta Pic HAT-P-11 Kepler-13 D. Orikhovsky, 2023, DP, CU Bratislava Dynamické interakce Albrecht et al. 2022PASP..134h2001A Dawson et al. 2018, ARA&A, 56, 175D Původ HJs v dynamických interakcích vs původ in situ - rozlišení pomocí C/O Dawson et al. 2018, ARA&A, 56, 175D - Slapová migrace má za následek nepřítomnost malých planet v přítomnosti HJ - HJ na excentrických drahách nemohou být vysvětleny pomocí migrace v disku nebo in situ vzniku - Závislost přítomnosti ekscentrických HJ na metalicitě implikuje slapovou migraci spíše než K-L efekt (hvězdná multiplicita není závislá na metalicitě) - Některé HJs a WSs mají vnější obří planety, které je mohou ovlivňovat pomocí K-L efektu, případně impliikují interakci mezi planetami