3
Solsystemet
Solsystemet omfattar:
• solen (→ 4. Stjärnor)
• planeterna och deras månar
• asteroider och meteoroider
• kometer
• interplanetär stoft, gas, mm.
Planeternas radie, medelavstånd från
solen, densitet, temperatur och antalet
månar (upptäckta före 9/2012):
planet
radie
(km)
Merkurius 2400
Venus
6100
jorden
6400
Mars
3400
Jupiter
71500
Saturnus 60300
Uranus
25600
Neptunus 24800
avst. densitet
temp.
månar
(AU) (kg/m3 )
(oC)
0.39
5430 -190/+400
–
0.72
5250
+470
–
1.0
5520 -50/+50
1
1.5
3930 -120/+10
2
5.2
1330
-130
67
9.2
710
-170
62
19
1240
-210
27
30
1670
-220
13
47
Varför är Pluto ingen planet (längre)?
Definition på planet (Internationella
astronomiska unionen, IAU):
• Rör sig i bana runt solen
• Har tillräckligt stor massa för att
tyngdkraften skall övervinna hållfastheten och ge den en rund form
• Har genom sin gravitation tömt sin
omgivning på andra stora kroppar
T.ex. Pluto, Eris och Ceres är för
små för att dominera sin omgivning.
Dessa är dvärgplaneter.
Solsystemets planeter och några dvärgplaneter (NASA).
48
3.1
Jorden och månen
Tillsammans med
månen bildar jorden
nästan en dubbelplanet: Månes radie
är > 14 av jordens.
Sammanträffande: Månen ser ungefär
lika stor ut som solen från jorden sett.
Eftersom månens bana ligger nära jordens banas plan sker rätt ofta förmörkelser:
• Solförmörkelse: Månen skymmer solen
– partiell förmörkelse
– ringformad förmörkelse ր
– total förmörkelse −→
• Månförmörkelse: Jorden
skymmer månen ց
49
Jorden är den enda kända planeten
med utvecklat liv.
Jordklotet består av:
• järn-nickel-kärna, radie 3400 km
• manteln, 2900 km tjock
• jordskorpan, 10–60 km tjock
Ca 70 % av jordytan täcks av
vatten.
Jordens atmosfär består främst av
kväve (77 %) och syre (21 %).
Atmosfären indelas i:
• troposfären (upp till ca 10 km)
• stratosfären (ca 10 - 50 km)
• mesosfären (ca 50 - 80 km)
• termosfären (ca 80 - 600 km)
• exosfären (ca 600 - 10 000 km)
50
.
Jordens magnetfält sträcker sig långt
utanför atmosfären: Magnetosfären skyddar jorden från solens partikelstrålning
(solvinden) och kosmiska partiklar.
51
3.2
De terrestriella planeterna
Merkurius, Venus, jorden och Mars
kallas terrestriella (= jordliknande) planeter. De har liknande struktur:
• metallkärna (järn-nickel)
• mantel (sulfider, silikater, kisel mm.)
• fast yta
• relativt tunn atmosfär (jämfört med
jätteplaneterna)
• få eller inga månar
De terrestriella planeterna (Wikipedia)
52
Merkurius:
• ekv.radie ≈ 2439 km
• omloppstid ≈ 89 d
• rotationstid ≈ 59 d
• medelavstånd från solen ≈ 0.39 AU
• temperaturen, min -190oC, max +400oC
• nästan ingen atmosfär (påminner därför om månen)
• is vid polerna
• ingen måne
Bild: astro.geo.tu-dresden.de
53
Venus:
• ekv. radie ≈ 6052 km
• omloppstid ≈ 224 d
• rotationstid ≈ 243 d (motsatt riktning)
• medelavstånd från solen ≈ 0.72 AU
• atmosfärens tryck 90 gånger jordens:
Mest koldioxid (även svavelsyra) ⇒
växthuseffekt
• temperaturen på ytan ca 460oC
• ingen måne
Bild: NASA
54
Mars:
• ekv. radie ≈ 3397 km
• omloppstid ≈ 687 d
• rotationstid ≈ 24 h 37 min
• medelavstånd från solen ≈ 1.5 AU
• röda färgen: järnoxider
• atmosfärens tryck 1/200 av jordens:
Mest koldioxid
• temperaturen ca -50o C (max +10,
min −110)
• månar: Phobos och Deimos
Mars-landskap (Curiosity, NASA)
55
3.3
De yttre planeterna
Jätteplaneterna Jupiter, Saturnus, Uranus
och Neptunus:
• lägre densitet än de inre planeterna
• tjock atmosfär och liten eller ingen
kärna
• består mest av väte och helium
• stort antal månar och ringar
Bild: NASA
56
Jupiter:
• ekv. radie ≈ 71 398 km
• omloppstid ≈ 12 år
• rotationstid ≈ 10 h
• medelavstånd från solen ≈ 5.2 AU
• temperaturen ca -130o C
• består mest av väte och helium, eventuellt
kärna av sten
• tjock atmosfär med stormar (ex. röda
fläcken)
• månar: 67 (upptäckta), största månar: Ganymedes, Callisto, Io, Europa
• ringar
Io och Europa (Galileo, JPL/NASA)
57
Saturnus:
• ekv.radie ≈ 60 000 km
• omloppstid ≈ 29 år
• rotationstid ≈ 10 h 34 min, snabb
rotation ⇒ tillplattad form
• medelavstånd från solen ≈ 9.2 AU
• temperaturen ca -170o C
• låg densitet: Mest H och He
• ringsystemet består mest av is-bitar,
eventuellt bara några m tjockt
• månar: 62 (upptäckta), största månen Titan ↓ har atmosfär
Titan (Cassini-Huygens, ESA/NASA)
58
Uranus (upptäcktes 1781):
• ekv. radie ≈ 26 000 km
• omloppstid ≈ 84 år
• rotationstid ≈ 17 h, axeln lutar 98o
• temperaturen ca -210o C
• medelavstånd från solen ≈ 19.2 AU
• ringar upptäcktes 1977
• månar: 27 (upptäckta), största månen Titania
Uranus (Voyager 2, NASA)
59
Neptunus (upptäcktes 1846):
• ekv. radie ≈ 25 000 km
• omloppstid ≈ 164 år
• rotationstid ≈ 16 h
• temperaturen ca -220o C
• medelavstånd från solen ≈ 30.1 AU
• månar: 13 (upptäckta), största månen Triton
Neptunus (Voyager 2, NASA)
60
3.4
Övriga himlakroppar i solsystemet
Pluto (upptäcktes 1930):
• planet av historiska orsaker till 2006,
numera dvärgplanet
• ekv. radie ≈ 1120 km
• temperaturen ca -230o C
• medelavstånd från solen ≈ 39.3 AU
• excentrisk bana, tidvis närmare solen
än Neptunus
• består av is och sten
• månar: Charon, Nix, Hydra och
S/2011P1
Pluto med månar
(H. Weaver (JHU/
APL), A. Stern
(SwRI) & HST Pluto
Companion Search
Team)
61
Eris = “Xena” = UB313 (upptäcktes
2003):
• ekv. radie ≈ 1200 km
• avstånd från solen: 38–97 AU (excentrisk bana)
• består antagligen av is, metan och
sten
• måne: Dysnomia
Eris och Dysnomia (W.M. Keck Observatory)
62
Asteroider:
• storleken ca 10 m – 1000 km
• förekommer främst i två asteroidbälten: 2.2–3.3 AU från solen
och ett yttre bälte
bortom Neptunus;
Kuiper-bältet
• > 1 miljon asteroider
med diameter > 1 km
i närmare bältet
• delas i grupper, bl.a.:
– C-asteroider (kol)
– S-asteroider (sten) Bild:
– R-asteroider (järn)
astro.geo.tu−dresden.de
Meteoroider:
• mindre än asteroiderna (< 10m)
• meteor om den träffar jordens atmosfär, meteorit om den når marken
63
Kometer:
• typisk diameter: < 10 km
• består mest av is och stoft: "smutsig snöboll"
• excentriska eller hyperboliska banor
• nära solen avger kometen gas och
stoft, som bildar kometens svans
• kometerna härstammar från Kuiper
bältet och Oorts moln (upp till 50000
AU från solen)
• gravitationella störningar är orsaken
till kometernas excentrisk eller hyperboliska banor
• kändaste återkommande komet: Halleys komet, omloppstid 76 år
Halleys komet (Giotto, Dr. H.U. Keller,
Max-Palanck-Institut)
64
Kroppar som träffar jorden:
• Hela tiden träffar små partiklar jordens atmosfär och
brinner ⇒ meteorer. Stor
meteor ⇒ bolid (eldklot)
• Större sten- eller metall- Leoniderna (N ASA)
kroppar kan nå jorden ⇒ meteorit
• Vid asteroid- eller komet-träffar kan
massiv skada uppstå:
– Chicxulub kratern vid Yucatán:
Ca 65 milj. år sedan, asteroid
eller komet med diametern 10 km,
förorsakade möjligen massdöden
vid slutet av krita-perioden
– Lappajärvi kratern: Ca 70
milj. år sedan, asteroid ց
med diametern 500 m
– Senaste större träff:
Tunguska 1908
• Under en miljon år träffas jorden
av i medeltal 2 asteroider med diameter ≥ 1 km
65
3.5
Solsystemets uppkomst
Solsystemets karakteristiska drag:
• planeterna uppkom för ca 4.5 miljarder år sedan, dvs. nära tiden för
solens uppkomst.
• planeternas banor ligger nästan i
samma plan som solens ekvator
• planetbanorna är nära cirkulära
• planeterna rör sig motsols runt solen,
samma riktning som solen roterar
• planeterna (utom Venus och Uranus)
roterar motsols runt sin egen axel
• planeternas (utom Neptunus) avstånd
från solen följer i stort sett TitiusBodes lag: a = 0.4 + 0.3 · 2n med enheten 1 AU, n = −∞, 0, 1, 2...
• planeterna står för 98 % av impulsmomentet i solsystemet men bara 0.15
% av den totala massan
• de jordliknande planeterna är nära
solen, jätteplaneterna är längre borta
66
Teorier om solsystemets uppkomst:
a) Katastrofteorier
• solsystemet har uppkommit genom
en kollision eller nära passage av en
annan stjärna
• liten sannolikheten för planetsystem
• framfördes på 1800-talet, numera
förkastade
b) Nebularteorier
• solsystemet har uppkommit genom
evolution av ett moln
• planeter en naturlig del av stjärnors
uppkomst
• framfördes första gången på 1700talet av Immanuel Kant och Pierre
Simon Laplace
• nuvarande uppfattning om solsystemets uppkomst
67
Scenario för solsystemets uppkomst:
1. Ett roterande moln av gas och stoft
sammandrogs genom sin egen gravitation.
2. Den innersta delen bildade
protosolen. Kring solen
bildades en protoplanetär
skiva av gas och stoft.
(Bild: STScI →)
3. Solens impulsmoment överfördes på
den omgivande materian via dess
magntefält. När fusionsreaktionerna
kom igång förlorade solen ytterligare
impulsmoment via solvinden. Solens
rotation bromsades upp.
4. Genom kollisioner i den omgivande
skivan koncentrerades materian i ett
plan som var vinkelrätt mot rotationsaxeln.
68
5. Materian koncentrerades till gradvis större kroppar, planetesimaler. Nära
den heta solen kunde endast metaller och silikater koncentreras, längre borta även is, metan, ammoniak.
6. Planetesimalerna kolliderade och koncentrerades gradvis i ännu större kroppar, planeterna uppkom. Resonanseffekter gjorde att planeterna uppkom på bestämda avstånd från solen.
Planeterna samlade åt sig gas och
från det omgivande molnet.
7. Solens närhet gjorde att gasen dunstade från de jordliknande planeterna
(Venus’ och jordens atmosfärer tillkom
senare). Jätteplaneterna kunde hålla
kvar en tjock atmosfär.
8. Den starka solvinden blåste bort extra gas och stoft.
69
3.6
Andra planetsystem
Planetsytem är en naturlig biprodukt
av stjärnors uppkomst. Det är dock
svårt att direkt observera planeter på
grund av deras svaga ljusstyrka.
Planeter upptäcks indirekt genom bl.a.:
1. Stjärnors rörelse (Doppler förskjutning av spektral-linjer)
2. Förmörkelser (förändringar i ljusstyrkan
när en planet passerar över en stjärna)
3. Planetens gravitation böjer ljuset
från stjärnor i bakgrunden ⇒ gravitationslins
Metod 1: Stjärnan och planeterna rör
sig kring den gemensamma massmedelpunkten ⇒ stjärnan "vickar" av och an ⇒
periodvis Doppler förskjutning av våglängden av spektrala linjer.
70
Den första normala stjärnan med en
planet som upptäcktes på detta sätt
var 51 Peg. Sedan dess har ca 700
planetsystem detekterats.
En planet upptäcks lättast om den är
stor och nära en stjärna. Minsta upptäckta exoplanet ∼ 1.4 gånger jordens
massa.
Uppgift 6: Jämför
radialhastighetskurvorna för
stjärn-planetsystemen 51 Peg
och HD 168443.
Vad kan man dra
för slutsatser?
Bilder:
exoplanets.org,
Butler & Marcy
71
Metod 2: Planetens bana råkar vara i
ungefär samma plan som vi ser ⇒ förmörkelse när planeten passerar framför stjärnan. Ca 100 fall kända.
Planet passerar över stjärnan HD 209458
(animation: L. Cook)
Ljuskurva för HD 209458 under planet-passage
(Hubble ST, STSci)
72
3.7
Liv utanför jorden (astrobiologi)
Hittills har man inte hittat direkta bevis för att det finns liv utanför jorden.
Mycket tyder dock på att primitivt
liv kan förekomma t.o.m. på andra
platser i vårt solsystem:
• Livet uppkom relativt kort efter jordens uppkomst
• Primitivt liv förekommer under extrema omständigheter (extremofiler),
t.ex. bakterier i geysir
• Rätt komplicerade organiska molekyler
förekommer i rymden
Deinococcus
radiodurans
klarar radioaktiv
strålning (NASA)
Sökandet av primitivt liv i solsystemet:
Mars och ett par av Jupiters och Saturnus’ månar.
73
Förutsättningar för jordens utvecklade
liv:
• lämplig mängd olika grundämnen
• lämplig och jämn temperatur under lång tid
• lämplig atmosfär
• lämplig planetskorpa
• tillräckligt med vatten
• inte för mycket farlig strålning
• inte för mycket komet- och asteroidträffar samt andra katastrofer
• evolution
74
Varför jorden är "optimal":
• Solen rätt typ av stjärna (lämplig
ålder, temperatur, "metallhalt")
• Inga närliggande objekt med stor
gamma- eller röntgenstrålning
• Jätteplaneten Jupiter "skyddar" jorden från komet- och asteroidträffar
• Jorden på rätt avstånd från solen
• Jorden har en stabil nästan cirkelformad bana
• Jordens rotationstid är lämplig
• Jordens rotationsaxel är lämplig
• Jordens magnetfält skyddar mot partikelstrålning
• Jordens atmosfär skyddar mot röntgenoch gammastrålning
• Jorden har lämplig kärna, mantel
och skorpa
• Evolutionen har befrämjats av lämplig
mängd katastrofer
75
Finns det liv på andra ställen i universum?
Två motsatta synsätt:
1. Jordens liv beror på många mycket
osannolika sammanträffanden ⇒ utvecklat liv av den typ jorden har är mycket
sällsynt (se t.ex. Peter D. Ward &
Donald Brownlee: Rare Earth)
2. Liv uppkommer även under extrema
förhållanden och evolution är alltid
möjlig ⇒ universum kryllar av liv (se
t.ex. David Darling: Life Everywhere)
Fermis paradox:
• En tekniskt mycket utvecklad civilisation, kan sprida sig till stora områden i en galax ⇒ borde kunna
märkas från långa avstånd
• Var är de?
76
Sannolikheten för andra civilisationer
i Vintergatan brukar uttryckas med
Drakes formel:
N = R∗ f p n e f l f i f c L
• N = antalet tekniskt utvecklade civilisationer i Vintergatan vid en bestämd
tidpunkt
• R∗ = antalet stjärnor som föds per
år ≈ 10/år
• fp = andelen stjärnor med planetsystem
• ne = antalet livsdugliga planeter/system
• fl = sannolikheten att liv uppkommer på en livsduglig planet
• fi = sannolikheten att evolutionen
leder till intelligent liv
• fc = sannolikheten att intelligent
liv leder till en civilisation,
• L = civilisationens medel-livslängd
77
Sökandet av spår av "intelligent" liv i
universum, ex. SETI (Search for Extraterristrial Intelligence):
• Främst radiovågor undersöks för att
hitta konstgjorda signaler
• Riktade signaler
och visitkort har
skickats, ex.
plakett i Pioneersonden →
• Inga tecken på andra civilisationer
De stora avstånden i rymden samt ljusets
begränsade hastighet gör kommunikation mellan olika världar närapå omöjlig.
Uppgift 7: Anta att fp = 0.1, ne =
0.1, fl = 0.1, fi = 0.1, fc = 0.1 och
L = 30000 år. Hur många civilisationer borde det finnas samtidigt i Vintergatan?
78
