Livsbetingelser i Universum
Föreläsning 4
Uppkomsten av vårt solsystem
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Schema
Se också det detaljerade schema som finns på Studentportalen.
Där finns även för varje föreläsning referenser till kurslitteraturen.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Introduktion och generella funderingar
Jordens historia och förutsättningar för liv
Livets uppkomst och utveckling
Uppkomsten av vårt solsystem
Livbetingelser i solsystemet
Mars
Planeter kring andra stjärnor
Liv i andra stjärnsystem
Filosofiska funderingar
Övningar och diskussionsseminarier
Tentamen
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Föreläsning 4
Uppkomsten av vårt solsystem
03/11
●
Hur kom solen och solsystemet till?
●
Hur kom planeterna till?
●
Hur stort är solsystemet?
Livsbetingelser i Universum, HT16
Solen som stjärna
Redan 1685 funderade
Nils Celsius med tanken
att solen är som andra
stjärnor, och att de därför
kan finnans planetsystem
andra än solens.
År 1745 lanserade Immanuel
Kant en model som beskriver
solens uppkomst från en
nebulos.
Först kring 1925 började man
förstå de fysiksa processerna
inne i stjärnorna.
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Systematiska spektroskopiska studier
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Stjärnornas spektra
är relaterade till deras
yttemperatur.
Absorptionslinjerna i
ett spektrum visar vilka
grundämnen som
förekommer i stjärnans
atmosfär.
Stjärnor består nästan
helt av väte och helium.
Stjärnspektra kan
sorteras i en sekvens.
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Stjärnor föds ur interstellära moln
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Långsam sammandragning
Om massakoncentrationen i
ett moln överstiger ett visst
gränsvärde drar gravitationen
samman molnet.
Ur ett enda moln bildas
många hundratals stjärnor
samtidigt.
Sammandragningen sker på
en tidsskala av några
10 000 till 100 000-tals år.
Stjärnorna har fortfarande inte
bildats klart
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Sammandragning ledar till rotation
I molnets centrum ökar densiteten, och därmed också
temperaturen. Ju större koncentrationen är i centrum,
desto fortare går sammandragningen.
De slumpmässiga rörelserna i det protostellära molnet blir
sedermera allt mer påverkade av gravitationen.
Till slut uppstår en rotatation kring en dominerande axel.
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
En avplattad ansamlingsskiva bildas
Små mänger stoft, gjord av tyngre grundämnen än väte och
helium, gör att ett överskott av energi i nebulosen kan strålas
bort som värmestrålning (infraröd), och molnet krymer mer.
Den ökande rotationen av det krympande molnet
gör att en avplattad struktur uppstår.
De inre delarna av skivan roterar fortare än de yttre delarna.
Längst in, var densiteten är högst, uppstår en snabb
roterande 'stjärna'.
På grund av rotationen uppstår i stjärnan ett magnetfält.
Magnetfältet bromsar sedan in stjärnan, och jämnar ut
rotationen i ansamlingsskivan. Magnetfältet orsakar också en
stark stjärnvind, som tunnar ut ansamlingsskivan.
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Stjärnans 'födelse'
Det ständigt ökande trycket i 'stjärnan' leder så småningom till
att mycket höga temperaturer uppnås i stjärnans centrum.
När temperaturen är 10 miljoner grader kan fusionsreaktioner
uppstå. Vid dessa höga temperaturer är atomkärnorna och
elektronerna 'fria'.
Vätekärnor kolliderar så att det bildas heliumkärnor :
1
H + 1H = 2H + e+ + neutriner
2
H + 1H = 3He + gammastrålning
3
He + 3He = 4He + 2 1H
4
03/11
He + 2 1H väger mindre än 6 1H
E = mc2
våldsamt energiutsläpp!
Livsbetingelser i Universum, HT16
Stjärnornas massa bestämmer livslängden
Sammandragning fortsätter tills en balans uppstår mellan
trycket innifrån och gravitationen.
Så länge fusionsprocesserna är igång är stjärnan vid liv.
I kärnan av tunga stjärnor är densiteten större, och
reaktionerna går (mycket) fortare.
Tunga stjärnor förbrukar sitt bränsle fortare än lätta stjärnor.
Solens energiutsläpp kan mätas direkt, och är 4 • 1026 watt,
vilket innebär 4 miljarder kg massa övergår till energi varje
sekund.
Solens massa är 2 • 1030 kg.
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Olika stjärnors livslängd
Massa
(solmassa)
Yttemperatur
(K)
Luminositet
(motsvarande solen)
Livstid på
huvudserien
dvs H-förbränning
(miljoner år)
120
53 000
1 800 000
2,5
60
48 000
530 000
3,4
40
44 000
240 000
4,3
15
31 000
20 000
12
3
12 000
80
350
1.5
7 100
4,7
2 700
1.0
5 600
0,7
9 800
0.9
5 300
0,4
16 000
(Temperatur och luminositet som den är vid stjärnans födelse)
De flesta stjärnor som bildas har en massa < 1.0 solmassor.
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Stjärnans död
När alla fusionsprocesserna i stjärnan upphör måste
återigen en ny balans hittas. Beroende på massan av
stjärnans kärna så kan följande hända :
●
●
03/11
Mkärna < 1.4 solmassa
Balansen upprätthålls av den repulsiva kraften
i ett elektrondegenererad gas, och stjärnan dras
samman till en såkallad vit dvärg.
1.4 < Mkärna < 3 solmassor
Balansen kan inte upprätthållas av elektronerna, och
elektroner tvingas in i protonerna. Nu kollapsar
stjärnans inre till en neutronstjärna, och det inträffar en
supernova. Under en kort period kan även grundämnen
tyngre än järn bildas. Den repulsiva kraften mellan
neutronerna upprätter en ny balans med gravitationen.
Livsbetingelser i Universum, HT16
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Stjärnans död
För de tyngsta stjärnor finns ingen ny balans...
●
Mkärna > 3.0 solmassor
Kollapsen kan inte stoppas av någon kraft, och
det uppstår ett svart hål. Inget som ramlar ned i
ett svart hål kan undkomma detta, inte ens
ljuset.
Av begripliga skäl finns det inga bilder på
svarta hål, men dess existens kan härledas från
de mycket snabba rörelser kring dessa objekt.
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Solnebulosmodellen
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Solnebulosmodellen
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Meteoriternas
sammanställning
Vissa meteoriter har en struktur
som påminner om hur små
partiklar bildade större kroppar.
Meteoriternas sammanställning
avslöjer hur solnebulosen såg ut.
Chrondrit-meteorit
03/11
Asplund, Grevesse & Sauval (2003)
Livsbetingelser i Universum, HT16
Planeterna bildas
De första 'kroppar' som bildades i solnebulosen var
små micrometerstora stoftpartiklar. Dessa uppstår tidigt,
redan när protosolens nebulos drar samman. Det finns en
stark koppling mellan gasen och stoftet.
Dessa stoftpartiklar funger sedan som kondensationskärnor,
och växer till större, millimeterstora kroppar.
Kropparna koagulerar till större objekt, och det sker lättast
i de de isrika delarna av solnebulosen.
Först när större, meterstora kroppar bildas, släpps kopplingen
mellan gasen och kropparna.
De första kropparna drar till sig den största delen av den
tillgängliga gasen i solnebulosen.
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Nedkylning av en HOCN blandning
03/11
N+N
↔
N2
H+H
↔
H2
C+O
↔
CO
H+O
↔
OH
H + OH
↔
H2O
CO + 3H2
↔
CH4 + H2O
N2 + 3H2
↔
2 NH3
H2O
↔
H2O(s)
NH3 + H2O(s)
↔
NH3 • H2O(s)
CH4 + 7 H2O(s)
↔
CH4 • 7 H2O(s)
Livsbetingelser i Universum, HT16
Planeternas växelverkan med
ansamlingsskivan m. m.
De första 10 miljoner åren av solens liv var mycket turbulenta.
Växelverkan mellan planeterna och ansamlingsskivan
ledde till att banorna ibland ändras.
Planetbanorna stabiliserades
till circulära banor.
Växelverkan mellan stora
planeter och mindre kroppar i
Kuiper-bältet kan ha orsakat
en överföring av massa från de
yttre till de inre delarna av
solsystemet (under det stora
bombardemanget).
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Jätteplaneterna
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
De jordlika planeterna
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Planeternas atmosfärer
Jupiters och Saturnus atmosfär består huvudsakligen av väte
(H), metan (CH4) och ammonia (NH3), men även andra gaser
har hittats i mindre mängder, bl a :
etan (C2H6), vattenånga (H2O),
vätecyanid (HCN), fosfin (PH3).
Atmosfären på Venus, Jorden och Mars uppkom genom
vulkaniska utsläpp.
Merkurius (liksom Jordens Måne) är för liten för att behålla
en atmosfär.
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Planetringer
Jupiter
Uranus
Neptunus
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Saturnus ringsystem
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Asteroiderna
Asteroiderna återfinns i
ett bälte mellan Mars och
Jupiter, där solens och
Jupiters gravitation
är i balans.
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Stora kroppar är runda
För kroppar med en diameter på ungefär 400 km eller mer,
är gravitationskraften tillräckligt starkt att slita sönder sten
i mindre delar.
Detta leder till att stora
kroppar är runda, medan
de minsta kropparna kan
behålla en oregelbunden
form.
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Avstånden i solsystemet
Objekt
Avstånd
Avstånd (ljusets hastighet)
Merkurius
0,39
3 min
Venus
0,72
6 min
Jorden
1.00
8 min
Mars
1,52
13 min
Jupiter
5,20
43 min
Saturnus
9,54
79 min
Uranus
19,19
2,6 t
Neptunus
30,06
4t
Kuiper-bältet
35 - 55
Voyager 1
110
Oort-Molnet
1000 - 100 000
Proxima Centauri
268 000
03/11
4 år
Livsbetingelser i Universum, HT16
Solens utveckling påverkar planeterna
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Den beboelige zonen
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
03/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Slutsatser för idag
●
●
●
●
●
●
03/11
Enkel fysik kan förklara stjärnornas uppkomst,
liv och död.
De flesta stjärnor är betydligt mindre än solen.
Asteroider visar vad protosolens nebulos var
gjort av.
De jordliknande planeterna utgör väldigt lite av
solsystemets massa.
Jorden är på flera sätt unik i solsystemet.
Solens egenskaper är av avgörande betydelse
för att liv kan förekomma på jorden.
Livsbetingelser i Universum, HT16
Nästa tillfälle
●
●
●
03/11
Vilka är de minsta förutsättningar för liv?
Var finns/fanns förutsättningar för liv inom
solsystemet?
Kan liv spridas genom solsystemet?
Livsbetingelser i Universum, HT16
