PLANET FORMATION AND PLANET SYSTEM EVOLUTION

HEIKE RAUER ZENTRUM FÜR ASTRONOMIE UND ASTROPHYSIK, TU BERLIN INSTITUT FÜR PLANETENFORSCHUNG, DLR, BERLIN-ADLERSHOF SOMMERSEMESTER 2014

How did the solar system form?

Let‘s start with our own planet system…

Die Entstehung von Planetensystemen

Theorien zur Entstehung basierten bis vor kurzem ausschließlich auf der Beobachtung unseres Sonnensystems (und stellaren Staubscheiben)!

Beobachtungsfakten aus unserem Sonnensystem:

1. 8 große Planeten, annähernd kreisförmige Orbits in Ekliptik mit 0,4 – 30 AU Abstand

2. kleine, terrestrische Planeten sind nah an der Sonne; große, gasförmige Planeten Außen; der Asteroidengürtel (2-4 AU) hat wenig Masse im Vergleich zu anderen Regionen

3. Die Planeten und Asteroiden sind verarmt an volatilen Elementen im Vergleich zur Sonne; terrestrische Planeten und Asteroiden sind stark verarmt, Gasplaneten weniger; viele Monde der äußeren Planeten sind reich an Eis; CI Meteoriten aus dem äußeren Asteroidengürtel haben ähnliche Zusammensetzung wie die Sonne (außer stark Volatile Elemente) Gradient von Verarmung an Volatilen mit heliozentrischem Abstand

Beobachtungsfakten aus unserem Sonnensystem:

4. Alte Oberflächen im Sonnensystem sind mit Kratern bedeckt; Viele der Planeten haben große Neigung ihrer Rotationsachse; Die Erde hat einen Begleiter mit 1 % ihrer eigenen Masse

5. terrestrische Planeten und viele Asteroiden sind differenziert; Saturn und Jupiter haben wahrscheinlich einen Kern von nur 10 Erdmassen, vergleichbar mit der Masse von Uranus und Neptun

6. Meteorite deren Elternkörper aus dem Hauptgürtel stammen zeigen Anzeichen für früher vorhandene Isotope mit sehr kurzer Halbwertszeit (<10 Myr); Chondrulen und CAI‘s haben Größen von ~1 mm und zeigen Hinweise auf schnelle Heiz- und Abkühlungsprozesse

7. Junge Sterne existieren in Gas- und Staub-reichen Umgebungen; viele Sterne zeigen massive Gas/Staubscheiben mit 10-1000 AU Durchmesser und Lebensdauern von ~1-10 Myr.

8. Debri-disks aus Staub haben kurze Lebenszeiten und brauchen ständigen Materialnachschub

Orion Nebula

HST photo

Molecular clouds

Eagle Nebula

(“Pillars of Creation”)

From Hubble Space Telescope

- Kollaps einer interstellaren Gas-Staub-Wolke, spontaner Kollaps, oder angestoßen durch externes Ereignis (z.B. Supernova)

- im Zentrum entsteht ein Protostern

- verbleibendes Material bildet Scheibe durch Rotation

Beobachtungen von Staubscheiben mit dem Hubble Space Telescope

Proto-planetary discs

Planet formation is fast!

In der proto-planetaren Scheibe bilden sich Planetesimale und schließlich Planeten.

?

From dust to planetesimals

A number of planetesimals, gas, dust was left after formation of the solar system. Clearance of the solar system was done by four processes: • Radiation pressure • Solar wind • Sweeping up of debris by

planets • Ejection by close

encounters with planets

More details on the growth process of planets are given in the lecture ‚Grundlagen der Planetenphysik‘

Exoplanets and planet formation

Many exoplanetary systems are very different to our Solar System, e.g.:

• Gas planets on close-in orbits

• Planets on highly eccentric orbits

• Planets on possibly retrograde orbits

• Planets on highly inclined orbits

• Planets around different types of stars

• …

A general theory of planet formation must be able to explain these

observations

In the following we look at planet system architectures and theories to

explain their evolution (migration, scattering, tidal intaraction)

Why are planetary system architectures so different?

Kozai Mechanism

The Kozai mechanism has been used to explain the high orbital eccentricity of 16 Cyg B, a planet in a binary system

Other mechanisms to increase excentricities: Secular resonances

HOW A PERIHELION SECULAR RESONANCE WORKS

A. Precessing eccentric orbits in a fixed frame. Black: planets; Grey: small body

B. The same in a frame rotating with the precession rate of the small body. If the precession rates of the planets are different, on average the planet mass distribution remains axisymmetric.

C. The inner planet is in a 1:1 secular resonance with the small body, so that its orbit is also fixed in the rotating frame. The mass distribution is no longer axysimmetric. A torque is exerted on the small body

Torque = change in angular momentum

angular momentum = [GM*a(1-e2)]1/2

Torque change e

Pluto ist in 3:2 Resonanz mit Neptun

When a planet comes close to

its star:

Tides

- Lack of close-in massive planets (migration effect) - Rise in mass with period (more material at hand)

Period vs. mass

Planets around M dwarfs

Believed to be tidally locked

Tides are raised on a body by another one if there is a gradient of the gravitational force across that body.

Beispiel: Die Kraft, die ein Mond auf seinen Planeten ausübt, ist auf der zugewandten Seite größer, als auf der abgewandten Seite Gezeitenberg

Zwei Massen bewegen sich umeinander. Betrachte beide als Punktquellen

Mittlere Kraft (Newton):

Die Halbachsen der Orbits verhalten sich wie:

- Ein Teilchen P1 im Zentrum des Planeten bewegt sich um das Massenzentrum C1 auf einem Kreis mit Radius ap.

- Ein Teilchen P2 bewegt sich auf einem Kreis um C2, wobei der Abstand von C2 zu C1 gleich dem Abstand von P2 und P1 ist.

Auf alle Teilchen in einem Körper wirkt die gleiche Zentrifugalkraft, aber ungleiche Gravitationskräfte, F !

Die Kraft, die Gezeiten hervorruft wird definiert als:

Gezeitenreibung

In der Realität erzeugen Gezeiten Reibung. D.h. Energie geht aus der Bahnbewegung verloren und die Bahnparameter ändern sich.

Die Änderung der Gesamtenergie ist:

Und mit

D.h., wenn Ω > n, nimmt a zu und die Rotationsperiode ab.

Beispiel: Erde – Mond System. Der Mond entfernt sich von der Erde (~10-9 ms-1) und die Rotationsperiode der Erde nimmt ab.

Ω: Rotation des Planeten

n: Umlaufperiode des Mondes

P(Orbit) > P(Stern):

- a nimmt ab

- Stern rotiert schneller (P(Stern) nimmt ab)

P(Orbit) < P(Stern):

- a wächst

- Stern rotiert langsamer (P(Stern) nimmt zu)

Gezeitenwechselwirkung Stern-Planet

Synchrones Orbit

Die Änderung der großen Halbachse ist dabei:

Die Rotationsperioden ändern sich mit:

-Vor 350 Millionen Jahren hatte die Erde 400 Tage pro Jahr (aus Fossilien).

k2p is the tidal Love number (a measure of elastic deformation), Qp is the dissipation factor.

Die Rotationsperiode des Mondes ändert sich nicht, wenn er im synchronen Orbit ist (Rotation = Umlaufperiode).

Wenn Ω < n, nimmt a ab und die Rotationsperiode zu.

Beispiel: Mars und Phobos. Der Mond bewegt sich in Spiralbahnen zu dem Planeten.

Doppelt synchrones Orbit:

Rotation(Mond) = Umlaufperiode = Rotation(Planet)

Beispiel: Pluto – Charon

Pluto und Charon zeigen immer die gleiche Seite zueinander.

Wenn der Mond auf einem exzentrischen Orbit ist, hört die Gezeitenwirkung nicht auf, wenn synchrone Rotation erreicht ist (Ω=n).

Gezeitenkräfte bewirken dann eine Zirkularisierung des Orbits sowie eine Aufheizung des Mondes.

Tidal locking?