El sistema solar

Sistema Solar Sistema Solar, FormaciĂłn, Planetas, SatĂŠlites y Cuerpos menores

FIA 0111- Astronomia

Nelson Padilla (P. U. Catolica)

Plutón Plutón fue descubierto por accidente por Tombaugh en 1930, pero buscado desde 1896, y con tenacidad por Percival Lowell desde 1906.

Imagen procesada de Plutón y Caronte tomada con el telescopio espacial Hubble.

New Horizons

Plutón es el planeta con el plano de la órbita más inclinado de todos (17.2 grados con respecto a la eclíptica).

La órbita de Caronte esta inclinada 118 grados con respecto a la eclíptica.

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Nelson Padilla(P. U. Catolica)

Plutón La órbita de Plutón es elíptica, intersectando la de Neptuno, pero está inclinada con respecto a la eclíptica y en resonancia.

Pueden chocar dos planetas?

Es muy improbable, pero no imposible, y ciertamente ocurrió en el pasado.

Cuán estable es el Sistema Solar? Las simulaciones indican que es estable en escalas de tiempo largas, pero no sabemos con certeza a muy largo plazo.

2010

1 20

0

Objetos del Cinturรณn de Kuiper Descubrimiento de Sedna (Mar 2004)

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Nelson Padilla(P. U. Catolica)

Cuerpos del Sistema Solar ordenados por tamaĂąos

Alan Taylor FIA 0111- Astronomia

Nelson Padilla(P. U. Catolica)

KBOs descubiertos en los ultimos 20 aĂąos

Alan Taylor FIA 0111- Astronomia

Nelson Padilla(P. U. Catolica)

Migración Migraciones a gran escala en el Sistema Solar: • Jupiter migró hacia adentro, empujando todos los planetas interiores.

• Neptuno migró hacia afuera, empujando a Plutón y los KBOs.

Gomes 2003, Hainaut 2007

Cometas Los cometas son cuerpos hechos de hielo sucio (hielo H2O, CO2, metano, amoníaco, polvo).

Al pasar cerca del Sol, material del núcleo se evapora formando la cola.

Cola iónica: de iones, azulada Cola de polvo: de gas y polvo, muy extendida, amarilla.

Pueden partirse al pasar cerca del Sol, dando orígen a lluvias de meteoros.

Cometa Halley

Órbitas de cometas Las órbitas de los cometas no estan en el plano de la eclíptica y son elípticas. Esas órbitas los pueden llevar muy cerca del Sol.

Cometas La nube de Oort representa la conexiรณn que nos queda con el Sistema Solar primitivo. Los cometas que vienen de ella son muestras de la materia original del Sistema Solar.

Cometas

NĂşcleo Coma

Cometa

Cola Los cometas son casi todo espacio vacĂ­o.

Cometa Halley tomado por la nave europea Giotto.

Cometas Componentes de un cometa. El núcleo es un iceberg sucio, de hielo de: agua H2O, metano CH4, amoníaco NH3 y hielo seco CO2. Ese hielo se sublima al ser calentado por el Sol. Partes del núcleo son muy oscuras, cubiertas de polvo rico en carbono.

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Nelson Padilla(P. U. Catolica)

Cometa McNaught de la Nube de Oort en Febrero 2007. Los cometas pueden ser las fuentes principales de material organico y agua en el Sistema Solar interior.

Cometas

Cometas Eventualmente, los cometas que ingresan al sistema solar interior se evaporan y disgregan.

Cometa Hale-Bopp Los cometas pueden ser las fuentes principales de material organico y agua en el Sistema Solar interior.

Cometa 67P/Churiumov-Guerasimenko

Nave Rosetta - sonda Philae

Composición e isótopos de agua de la coma es diferente que de la tierra (agua proviene entonces de asteroides?)

Este cometa no posee campo magnético (el campo no varía con la distancia al cometa, por lo que su origen es otro (viento solar por ejemplo). El campo magnético de los objetos del sistema solar no viene de los bloques que se unieron para formarlos.

Asteroides Traza de asteroide vista en una imagen del Telescopio Espacial

Asteroides

Asteroide Gaspra

Los asteroides son objetos rocosos pequeños y sin atmósfera que orbitan alrededor del sol.

Se clasifican en 3 tipos de acuerdo a su composicion química: Tipo F: metálicos Tipo C: carbonaceos.

Tipo S: silicatos (rocosos).

10x10x20km S-type Galileo photo

Cinturón de Asteroides El cinturón de asteroides se encuentra entre las órbitas de Marte y Jupiter.

Teorías antiguas decían que los asteroides serían los restos de un planeta que había entre Júpiter y Marte. Sin embargo, si juntamos todos los cuerpos del cinturón de asteroides, su masa equivaldría solo a la de una pequeña luna, de unos 1500 km de diámetro, menos de la mitad de tamaño que la Luna que tiene D=3500 km.

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M

J

Nelson Padilla(P. U. Catolica)

Cinturón de Asteroides ❧ Los asteroides Troyanos están en la órbita de Júpiter, 60 grados delante y detrás del planeta.

Tipos de Asteroides Distancias al Sol

Dust line

Ice line

Cometas

NEOs

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Orbitas de los asteroides cercanos a la Tierra (NEOs) conocidos. Existen unos 2000 NEOs conocidos con tamaĂąo mayor que 1 km.

Nelson Padilla(P. U. Catolica)

Meteoros Los meteoros son asteroides que ingresan a la atmósfera terrestre a alta velocidad, dejando una estela mientras son evaporados por el roce con el aire.

No todos llegan a la superficie, la mayoría son totalmente quemados en la atmósfera.

Esos meteoritos que llegan a la superficie muestran señales de haber sido derretidos por su ingreso a la atmósfera.

En el continente Antártico se encuentran meteoritos con mucha facilidad.

Meteoritos Meteoritos de distintos tipos: Carbonaceos, Silicatos, y Ferrosos (metรกlicos)

F C

S

S

Lluvias de Meteoros

LLUVIA

FECHAS

ORIGEN

Eta Aquaridas Delta Aquaridas

5 Mayo 28 Julio

Cometa Halley 96P/Machholz

Ambas >20/hora

Colisiones Cósmicas El cometa Shoemaker-Levy chocó con Júpiter en 1994.Antes del choque, las fuerzas tidales (de marea) del planeta lo partieron en pedazos.

La colisión de los 12 pedazos mas grandes tuvo efectos observables desde la Tierra.

Colisiones cósmicas Meteoro de Chelyabinsk, Feb 2013

Tunguska, 1908 ❧ Efectos de las colisiones en la historia terrestre ● Cráteres (que más tarde se erosionan) ● Extinciones masivas (que dan lugar a otras especies)

Quebec, hace 1,4 mill. de años

Arizona, hace 50.000 años

Frecuencia de Impactos Cada mes Cada año Cada década Cada siglo Cada milenio Cada 10000años Cada 100000años Cada millón Cada 10millones

-

Tunguska Extinción de los dinosaurios

!

0.01

!

!

1

!

!

! !

100

!

! ! !

10000 metros

Frecuencia actual promedio de impactos de meteoritos de distintos tamaños en la superficie de la Tierra.

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Nelson Padilla(P. U. Catolica)

El próximo impacto?: ❧ Apophis pasará más o menos cerca en el 13/4/2036: ❧ 270m ❧ 10E7kg ❧ Visible! ❧ 3% probabilidad inicial de choque ❧ probabilidad actual: 1/250.000

Sistema Solar Sistema Solar, FormaciĂłn, Planetas, SatĂŠlites y Cuerpos menores

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Nelson Padilla (P. U. Catolica)

Formación del sistema solar El Sistema Solar es muy regular, esto no se explica por las leyes de Kepler o Newton. Los modelos de formación deben explicar propiedades importantes: – todos los planetas están relativamente aislados – las órbitas están en el mismo plano – las órbitas son casi circulares – todos se mueven en el mismo sentido alrededor del Sol – todos giran en el mismo sentido alrededor de sus ejes – las lunas también se mueven en el mismo sentido – existen cuerpos menores con órbitas elípticas – el sistema está altamente diferenciado

Pistas dadas por otras estrellas

Formación del sistema solar • La nebulosa solar

HST/NASA

– nube molecular (polvo y gas) – colapso gravitatorio – formación del disco

• Etapa T Tauri – evaporación del disco • Formación de planetas – Condensación de protoplanetas – Colisiones numerosas

La nebulosa Solar, TTau La nebulosa primordial gira, por lo que cuando se contrae adquiere una forma achatada, como un disco.

Durante la etapa T Tauri, los vientos estelares despejan el material remanente de la nebulosa original.

Los planetas mas interiores son mas influenciados por la radiación y vientos solares.

Por ejemplo, sus atmósferas primordiales se evaporaron. La atmósfera actual de la Tierra no es la original, sino que es una atmósfera secundaria resultante de actividad volcánica.

Los planetas exteriores no son tan influenciados por la estrella central, manteniendo sus masas y atmósferas primordiales.

Condensación de planetas Los protoplanetas se condensan en el disco que queda girando alrededor de la estrella joven.

Esos protoplanetas son muy pequeños y numerosos al principio, pero a través de colisiones con material del disco se van haciendo mas grandes. A medida que crecen, limpian su órbita de otros cuerpos menores, los cuales son comidos o son expulsados del sistema. De los cientos de protoplanetas, solo unos 10 sobreviven.

Finalmente, los planetas terminan aislados en órbitas aproximadamente circulares, donde las colisiones son muy raras.

Discos En estrellas jóvenes podemos observar discos, los cuales se cree que darán orígen a sistemas planetarios como el del Sol. Por ejemplo, la estrella cercana Beta Pictoris tiene un disco mas grande que todo el sistema solar, visible en luz infraroja.

Imagen de disco protoplanetario tomada por ALMA en 2014

Restos de la formaciรณn del Sistema Solar La nube de Oort representa la conexiรณn que nos queda con el Sistema Solar primitivo.

Los cometas que vienen de ella son muestras de la materia original del Sistema Solar.

La nebulosa Solar

Formación del Sistema Solar ■

La nebulosa Solar esta hecha de H y He, con muy pocos elementos pesados (2%).

■

Hace 4500 millones de años esos elementos pesados se condensaron como polvo en el disco interno, y como polvo + hielo en el disco externo.

■

La teoría dice que Júpiter se forma más allá de la línea de nieve, a unas > 5 AU.

Protosol

2000K

T ~ L1/4 /d1/2 FIA 0111- Astronomia

Metales Rocas

300K Hielo H2O

50K Hielos: seco CO2, metano CH4, amoníaco NH3, N2 Nelson Padilla (P. U. Catolica)

Componentes del sistema solar Sol Planetas terrestres Planetas jovianos Cuerpos menores – Planetas menores – lunas – asteroides – cometas – polvo, gas – meteoros NASA

• • • •

Formaciรณn del sistema solar

200,000 AU

100 AU

10,000 AU

100 AU

500 AU

50 AU

Formaciรณn de planetas terrestres durante etapa pre secuencia ppal.

Evolución del sistema solar a futuro El sol se calentará gradualmente, convirtiendo a la Tierra en una especie de Venus, y a Marte en un lugar con agua líquida. La zona habitable se correrá a mayores distancias del Sol. En unos 5000 millones de años, el Sol se convertirá en una Gigante roja.

Eventualmente se liberará de sus capas exteriores y continuará viviendo como una enana blanca.

Qué es la vida? Concepto difícil de definir.

• • • • • • •

Células con patrones ordenados? ADN? Crecimiento y desarrollo? Se requieren nutrientes...

Reproducción?

Uso de energía?

Respuesta al ambiente?

Requiere líquido (ejemplo: agua)?

Adaptación evolucionaria?

Hay que definir “vida” con cuidado.

Puede haber migrado la vida a la Tierra?

Qué significa habitabilidad para nosotros?

•

Temperatura adecuada

•

Agua líquida

•

Aire

•

Luz para temperatura agradable y para “ver”

•

Escudo de radiación

•

Escudo de asteroides

6

Qué afecta la temperatura?

•

Queremos temperaturas que permitan agua líquida en la superficie de un planeta

1.

Temperatura de la estrella

2.

Distancia a la estrella

3.

Forma de la órbita del planeta: no muy elíptica

4.

Atmósfera planetaria: gases efecto invernadero

•

Esto da forma a la zona habitable de una estrella

Zona habitable para varios tipos de estrella

La zona habitable es aquella donde se espera que haya agua lĂ­quida en la superficie de un planeta (Kasting, Whitmire and Reynolds, 1993)

Buscando planetas habitables Ecuación de Drake N = R* fp ne fl fi fc fL N = número de civilizaciones R* = tasa de formación de estrellas adecuadas – único término bien conocido fp = fracción de esas estrellas con planetas.

-- cada vez hay mas evidencia que esto es común ne = Número de planetas “terrestres” alrededor de cada una de estas estrellas (aun desconocido) fl = fracción de esos planetas donde se da la vida fi = la fracción de estos donde se da vida inteligente fc = la fracción de estos últimos donde se desarrolla comunicación via ondas electro-magnéticas L = vida media de civilización comunicativa (aun desconocido…)

Definiciones básicas para planetas extrasolares

• Objetos que no tienen fusión nuclear en su interior (menos de 13 masas de Júpiter para metalicidad solar). A veces, por errores en masa y metalicidades regularmente altos, el límite se fija en 20 o 25 MJ. • Masa mínima para planeta extrasolar debe ser la misma que para planetas en nuestro sistema solar.

• El objeto debe orbitar una estrella (o remanente) sin importar cómo se formó. Objetos libres en cúmulos estelares que cumplan con los límites de masa no son “planetas”, si no sub-enanas marrones.

Métodos para encontrar planetas extrasolares (~1700 hasta ahora) Method

Derive

Mass Limit Status

Pulsar Timing

τ ; mp/Ms

Lunar

Successful (15)

Radial Velocity τ ; mp *sin I ; e super-EarthSuccessful (682) Astrometry τ ; mp ; a ; D s Ground Space Transit Photometry Ground atm comp.

Space Space

sub-Jupiter In development super-EarthUnder study τ ; Αp ; a ; I ; Ds ; Successful (942) sub-Jupiter numerous groups sub-Jupiter HST, Spitzer, sub-Earth CoRoT, Kepler

Reflection Photo.

τ ; albedo*Ap ; a ;

Space Microlensing: Ground

atm comp.

sub-Jupiter Kepler

f(m,Ms ,r,Ds,DL ) super-EarthOGLE (20)

Direct Imaging τ ; albedo*Ap ; a ; I ; Space

e ; Ds ; atm comp.

Successful (30) Earth

numerous groups

(Source: http://exoplanet.eu/)

τ=period, a=semi-major axis, mp=planet mass, Ap=planet area, I=orbit inclination, e=eccentricity, Ds=distance to star

Ejemplos:

HR 8799

TamaĂąos esperados para distintos tipos de planetas

Misión Kepler Lanzado en 2009 (3.5 años) espejo de 1.4m y campo=105 deg2 Fotometría precisa (20ppm) monitorea >145,000 estrellas

42 CCDs = 95 Mpix solo 5% de los pixeles se envían a Tierra

http://archive.stsci.edu/kepler/

planet candidates

Mรกs de 4900 hasta ppios 2016, 1044 confirmados

http://archive.stsci.edu/kepler/

Frontera de exoplanetas en temperatura superficial y masa.

Porqué son mejores las estrellas pequeñas (tipo M) para buscar planetas extrasolares?

A. Estrellas tipo M tienen más chances de tener planetas pequeños (terrestres) B. Estas estrellas tienen una zona habitable mas compacta (0.1 AU) C. tienen menos masa (0.1 MSol) D. tienen vidas más largas (~13 Gyrs) E. son las más abundantes en nuestra galaxia.

Formación y búsqueda de planetas Conceptos clave: Cuál es la teoría de formación del sistema solar? Qué evidencia hay a su favor?

El sistema solar siempre está evolucionando.

Qué es la vida? Podemos definirla?

Qué características de la Tierra son importantes para la vida? Cómo se relaciona esto con lo que podríamos considerar como un planeta habitable?

Qué puede afectar la zona habitable? Masa de la estrella, composición, evolución, distancia del planeta, dinámica, migración, etc.

Usar la ecuación de Drake para tratar de cuantificar la existencia de vida comunicativa. Qué tan bien se conocen sus parámetros?

Cómo buscamos planetas? Cómo hacemos para saber sus propiedades?