天文学导论第5讲-太阳系2-矮行星、小天体与太阳系形成

1、第5讲 太阳系(2) 矮行星、小天体与太阳系形成,Almost in the center of it, above the Prechistenka Boulevard, surrounded and sprinkled on all this sides by stars shone the enormous and brilliant comet of 1812the comet which was said to portend all kinds of woes and the end of the world. Leo Tolstoy (1828-1910) WAR AND PEA

2、CE,天文学导论,本讲内容,Dwarf planets 矮行星 Asteroids 小行星 Comets 彗星 Meteoroids 流星体与流星 Collisions 碰撞 太阳系形成,这些太阳系形成时所遗留下来的“残骸”的体积虽小，但其重要性不小。它们提供了有关太阳系起源的信息。,1。矮行星,谷神星：最大小行星，1号小行星（1801） 冥王星（1930汤伯发现） 美国加州理工大学迈克尔布朗（Michael E. Brown） 阋神星（Eris厄里斯 2003 UB313, 齐娜Xena 2005年7月29日发现），最大矮行星 鸟神星、妊神星 Sedna赛德纳，2003年11月14日发现 ,

3、1801年由意大利天文学家皮亚齐发现 位于火星与木星之间的小行星带中，1号小行星 直径约950公里，等于月球直径的1/4，质量约为月球的1/50 谷神星所含淡水可能比地球还多,谷神星Ceres,Pluto 冥王星 “古怪的小家伙”,曾作为太阳系最小的第九大行星 性质特殊，既不像类地行星，也不像类木行星 1999年，国际天文联合会曾考虑把冥王星开除九大行星之列，没有成功！2006年“成功”了！,Computer enhanced HST images,冥王星的基本特征,对冥王星的了解不深，原因有二： 距离遥远 还没有太空船到冥王星作近距离观测 质量小于地球的1%，半径约1150千米，比月球（半径

4、约1740千米）还小 密度约为水的2.3倍。通常类木行星的密度小于2，而类地行星的密度大于5 冥王星表面及其大气由氮组成，从其密度推断，它应有坚固的表面,冥王星的轨道,冥王星的轨道非常特殊：拥有最大偏心率（作为第九大行星）；公转轨道和黄道面的夹角为17.2度；距太阳平均距离40 AU 轨道周期248年，自转周期 6.39 天,“Pluto: Planet 9 or 8?”,“冥王星的轨道部分在海王星轨道之内，所以从1979年到1999年，在太阳系内，距离太阳最远的“大行星”是海王星而不是冥王星”,自发现以来，冥王星仅运动了其轨道的大约1/3,冥王星和查戎 ：一对双行星,冥王星的卫星称为查戎 C

5、haron，直径约1200千米，是冥王星直径的一半多点，因此相对于它所围绕的天体来说，它实在是非常巨大,HST image,查戎和冥王星互为同步卫星,查戎的公转（自转）周期和冥王星的自转周期都是6.39天 因此，在冥王星表面，其中一半可以永远在天空差不多同一地点看到查戎，但另一半却永不见其踪影。反之亦然 查戎是整个太阳系已知惟一的天然同步卫星,哈勃太空望远镜拍摄的冥王星“全家福”,冥王星及其三颗卫星,同一轨道平面 两颗新卫星的大小仅相当于查戎的1/10，亮度仅及查戎的1/600 可能与查戎同一时间诞生，是同一次巨大天体碰撞的结果？,奔向冥王星和柯伊柏带的New Horizons,如何发现太阳系

6、“小”天体?,Sedna 赛德纳,2。小行星“天上的灾星”,小行星带：位于火星和木星轨道之间的一个“垃圾场”，距离太阳约2.8（2.0-3.3）AU 特洛伊型小行星：和木星具有共同轨道的小行星群,小行星带的基本特征,轨道周期：3.2-6年 由岩石与金属构成的块状小天体 编号与命名（1号谷神星，4号灶神星） 直径大于250千米的小行星不足20颗 大部分形状不规则，非球形，形如土豆，表面有大小不等的撞击环形坑，裂缝 小行星间隔平均几千万千米 轨道：像多纳圈 干扰对正常天体的研究：天上的灾星 揭示太阳系形成和演化奥秘的重要钥匙,小行星的数量？,535000颗（截至2010/9/22），估计质量为0.

7、0008个地球质量 谷神星Ceres 矮行星 第一颗小行星，1801年发现 最大小行星：直径约950 km 3 种类型： 岩石 铁/镍 （富）碳,小行星的偶然发现,小行星在背景天空上运行，只要以长时间曝光的方式拍摄，小行星的影像就成为一条光迹。大多数天文学家用此方法寻找小行星 事实上，大部分小行星就是通过这种方式而被偶然发现的,近地小行星 NEO,由于受到木星引力的影响，小行星带中的某些碎块改变轨道而接近地球轨道 7000多颗，轨道距地球不到4500万公里 直径：最大32千米，最小仅几米 直径大于1千米的千余颗中的90%已确认，主要研究100-1000米的小行星（估计28000颗，已知15%）

8、 轨道：阿登型小行星（地球轨道以内）；阿波罗型小行星（地球与火星之间）；阿莫尔型小行星（地球轨道外侧，平行但不相交） 类型：碳质、岩石和金属小行星,九颗近地小行星已得到考察,Asteroid 951（Gaspra 加斯普拉）： 自转周期 7小时,小行星伊达 （Ida Asteroid 243，自旋周期 4.5小时）和它的卫星达克图 (243)1,Galileos visit to the asteroids in 1991,小行星不仅仅是潜在的威胁,太空旅行的理想跳板 有待开发的矿藏：金属、气体、水 未来太空探索的补给站 揭开地球生命起源之谜 NASA 的黎明号探测器抵达灶神星,通常把彗星看作

9、一个“脏雪球”，弥散的、发亮的天体，常常拖着长长的尾巴 古老天体：几十亿年前太阳系构建过程中所遗留下来的残片碎块 太阳系起源的“物证”,1976 到访内太阳系的 威斯特（West）彗星,3。 彗星脏兮兮的雪球,世纪大彗星 C/2006 P1 麦克诺特彗星,40年来最亮彗星 澳大利亚天文学家R.H. McNaught于2006年8月7日用口径0.5米施密特望远镜发现，2007/1/13-14 最亮-5到-6等,2007年11月：霍尔姆斯彗星大爆发体积超过太阳,One view of comets as destroyers of worlds in 1857,King Harold (Engla

10、nd) and nation cower in fear at the close passage of Halleys Comet,（冰窟中的）彗星的基本特征,彗星和小行星具有共同的起源，却是不同类型的天体（成分、轨道） 彗星由夹杂一些岩石的（水）冰物质构成，故称为“脏雪球” 跨度大多仅有几千米 彗星质量 10-11地球质量，体积大，密度很低，因而是结构松散、多孔的天体,彗星的结构,彗核,彗星中心是一颗由凝固了的气体和尘埃组成的、直径小于10公里的细小彗核,Halleys nucleus,美丽的彗尾,当彗星接近太阳的时候，凝固的气体受热蒸发而产生延展的彗发coma 当它进一步接近太阳，太阳风

11、及太阳辐射压便会把气体和尘埃向后推，形成美丽壮观的彗尾。因此，彗尾永远是背着太阳的 通常形成两条彗尾，一个是蓝色的由离子组成的直尾，另一条是黄色的弯曲的尘埃尾。两条彗尾均可延展数百万公里,West,彗星的轨道：开放轨道,彗星轨道基本有两种：开放或封闭式绕日运行 以开放式（非周期轨道）绕日运行的彗星只经过太阳一次,彗星的轨道： 周期轨道,封闭式轨道彗星（很扁的椭圆形周期轨道）则可造访太阳多次，交替非常远离和靠近太阳 最著名的周期彗星是以76年周期绕日运行的哈雷彗星 Comet Halley 万有引力最重要的早期预言,彗星核的寿命取决于它的轨道周期和到太阳的最近距离 短周期轨道和长周期轨道，以20

12、0年为界（不确定）。一些周期长达一百万年 已知短周期彗星约200颗，长周期彗星约770颗。平均每年发现约6颗彗星 彗星轨道高度椭圆，行星轨道近似圆形。短周期彗星和行星同向运行，轨道取向接近太阳系轨道面；长周期彗星有同向和反向，轨道取向各个方向,彗星的轨道特征,彗星的可能来源,柯伊伯带 Kuiper belt (盘状，柯伊伯带天体 KBOs ) 奥尔特云 Oort cloud： 太阳系最外区域，球壳状，距离太阳 50,000 AU以外， 1012 小天体,邻近恒星通过太阳附近时其引力扰动使这两个区域里的一些物质进入内太阳系而成为彗星 太阳有一个“复仇女神？”,深度撞击 deep impact,2

13、005/7/4，撞击彗星 Tempel1 由远古的冰冷物质构成 太阳系起源的信息,4。 流星体,除了小行星带以外，太阳系中还充塞着大量的块状物，称为流星体，它们在太阳系中漂浮飞行 大多数流星体很小(10 m)，多为沙粒大小 流星体可能来自小行星带，由小行星碰撞分裂而成；也可能是彗星靠近太阳时所遗留的物质,Meteor 流星,当流星体以每秒数十公里的速度进入地球大气层(100km)，由于与空气摩擦而产生高热、高温令流星体及四周空气燃烧发光，形成一条划破天际的光迹，称之为流星 shooting stars” 流星是大气现象 大部分小流星体在穿越地球大气层时燃烧殆尽,Meteor showers 流

14、星雨,当地球通过古老的彗星轨道时，彗星的大量残骸进入地球大气层而形成流星雨,流星雨发生在每年相同的时间 著名的流星雨： 英仙座（Perseid）流星雨：每年的8月中， 由于地球通过彗星 Swift-Tuttle 的轨道 狮子座（Leonid）流星雨：每年的11月中， 由于地球通过彗星 Tempel-Tuttle 的轨道,1996 狮子座（Leonids）流星雨,流星暴（meteor storms）：1小时可看到数百颗流星,陨石（星）（ Meteorites ）,大部分流星体会在大气层内燃烧殆尽，但一些较大的流星体有机会熬过大气的燃烧，撞落地面而成为陨石，一些巨大的行星际物质（小行星、彗星等）更

15、会造成陨击坑 年龄46亿年（太阳系年龄），太阳系中最古老的天体 一些富碳陨石含有复杂分子（如氨基酸）：原始生命的征兆,Chondrite (stony)meteorite 球粒状岩石陨石,Iron meteorite 铁陨石,Carbonaceous Chondrite富碳球粒状陨石,From Mars,化学分析表明一些陨石来自月球或火星,寻找陨石,5。大碰撞,如果陨石足够大，会在地球表面撞出陨击坑 一些小行星群 (主要是“Apollo”) 的轨道和地球轨道相交，最终大多数可能和地球相撞 随机的流星体和彗星有时也可能穿越地球轨道 地球上的大陆可能是小行星撞出来的？ 地球上的水可能是彗星带来的？

16、 地球上的生命可能是彗星或小行星带来的？,Recent collisions clearly have occurred,Known impact sites on the Earths continents. Despite erosion, 140 terrestrial craters found,Barringer meteor crater 巴林格陨击坑,Small meteorite produce big destruction!,“Barringer meteor crater” in Arizona: 1.2 km diameter. Probably from diamet

17、er 100m meteorite, 50,000 years ago.,“Tunguska event” 通古斯大爆炸,1908, Siberia leveled 2000 km2 forest 15 Mega tones TNT (largest H-bomb ever exploded: 60 Mega tones TNT),2003年6月，科考队拍摄的爆炸现场,The number, 300 Earth-crossing asteroids known with typical diameter = 1 km; estimate: 2000-4000 of them exist. Ex

18、pect 1 collision per 300,000 years: 105-106 Mega tons TNT. Small blasts (Tunguska) every 300 years.,End of human civilization?,统计上，一个人遭遇像飞机失事、洪水或龙卷风那样死亡的可能碰撞的概率平均大约几百-几千万年一次 一个直径10km的小行星或彗星大约每3千万年撞击地球一次 可能结束文明 108-109 mega tones TNT explosion devastates surrounding area (r=1000 km); rest of Earth li

19、ke oven set to “broil”. This is followed by “impact (nuclear) winter” produced by dust in atmosphere; sunlight blocked; acid rain. Then long period of high T (CO2).,找到了恐龙灭绝的证据？,墨西哥南部尤卡坦半岛Yucatan海域, 直径160-180公里的陨击坑Chicxulub Crater 铱含量异常 6500万年前一颗直径约10公里的小行星撞击地球 “Cretaceous-tertiary (白垩纪-第三纪) extincti

20、on”: 恐龙及2/3物种灭绝 印度洋陨击坑，同时？,2.5亿年前流星体撞击南极？,南极洲，卫星发现了直径300英里，藏身于1英里多厚冰原下面的陨石 流星体撞击地球的年代大约2.5亿之前，即二叠纪-三叠纪的90%物种灭绝事件 恐龙家族从此异军突起，成为地球的主宰,Collisions in Solar system,Comet Shoemaker-Levy 9 Strikes Jupiter (July 16, 1994)。.2009年木星又被撞了!,彗木相撞,6。太阳系的形成,角动量守恒定律 星云假说 太阳系形成的主要过程,太阳系知多少？,所有行星轨道基本位于同一平面内 行星椭圆轨道椭度轻微

21、，几乎近似为圆轨道 行星公转自西向东 大部分行星自转也自西向东 自转轴相对于轨道面的倾斜度小（金星和天王星是例外，可能碰撞引起） 行星和小行星的自转速率相似： 5 -15 小时，除非潮吸力使它们变慢,太阳系知多少？,太阳自转同样自西向东，且其自转轴基本垂直于行星轨道面（或太阳的赤道几乎位于行星轨道面内） 行星的化学成分不同，大致随到太阳的距离变化：内行星致密、富含金属，而外行星体积大、富含氢 小行星的化学成分和地质结构不同于行星和其卫星 行星-卫星系统类似于太阳系 彗星来源的柯伊柏带和奥尔特云 行星包含太阳系大约90%的角动量，但太阳却包含太阳系超过99%的质量,星云假说 Nebular Hy

22、pothesis,星云假说是关于太阳系起源的学说，最初是由康德Kant 和拉普拉斯Laplace 在18世纪提出的 目前关于太阳系形成的理论是在此基础上做出了具体的改进 其中的一个关键物理概念是角动量守恒,角动量 Angular Momentum,围绕一个点转动的物体（或自转的物体）拥有角动量 宇宙中的角动量是严格守恒的，可以转移，但不能创造或消灭（对孤立体系）,角动量守恒的推论,一孤立体系的角动量L 是常数 转动（自转）速度v 和距离（延展半径） r 成反比关系： v = L / (mr) 对自转的物体，如果半径减小，为了保持角动量守恒，则自转必须加快。反之亦然,1. 分子云核坍缩,分子云核

23、：由气体和尘埃组成的巨大星际云，尺度1光年 自引力克服气体压（使云膨胀）而坍缩 坍缩的初始触发： 超新星冲击波； 旋涡星系密度波； etc,巨分子云裂变后的其中一块分子云核：太阳（原始）星云,分子云核拥有巨大的角动量,由于附近恒星爆发或与其它星云碰撞而具有一定的自转 由于分子云核非常延展，所以既使微小的自转也使分子云核拥有巨大的角动量,2。分子云核自转随坍缩加快,分子云核的初始自转非常缓慢 由于角动量守恒，当分子云核坍缩时其自转必定加快,例子,假设太阳原始星云尺度大约1光年，即1016米。自转缓慢，假设自转周期为106年 如果坍缩为太阳大小，即1.4*109米，或者说是星云原始大小的千万分之一

24、（10-7），那么其自转速度为原始的5*1012倍，完成一次自转只需0.6秒，是太阳的真实自转的3*106倍 为了太阳的稳定，如此快速自转要求太阳的自引力必须增加大约2*106倍 事实上，分子云核的大部分角动量滞留在行星上。因此，分子云核的角动量比从其中所形成的太阳的角动量大得多,3. An accretion disk forms 形成吸积盘,如果没有自转（角动量），分子云核自然坍缩为一个球 对于自转的分子云核，因为离心力平衡引力，坍缩的程度具有方向性：自转使得垂直于自转轴方向上的坍缩减慢，但是不影响沿自转轴方向的坍缩，所以自转的分子云核渐渐变得扁平 最终分子云核坍缩为一个原始恒星和一个吸积盘（称为原行星盘） 因此自转的分子云核坍缩为一个盘而不是直接坍缩为一个恒星,Animation,4. 小物体成长为大物体,在原行星盘内，气体的运动将较小的颗粒吹入较大的颗粒内 通过吸附较小的颗粒，较大的尘埃颗粒变得更大 从只有几微米大小开始，稍微大一点的尘埃渐渐生长 当尘埃颗粒增长为大约100米大小的时候，物体的增长率减小，但100米大小的物体会结合形成更大的物体。此时的结合必须轻微，否则猛烈的碰撞会使它们再裂解为许多小碎片。在物体增长的阶段，这种反过程是常见的,星子：行星的种子,当物体增长为约1公里大小的时候，物体的质量足够大因而其引力变得重要并开始起作用。 1千米大小的物体通常称为星