Astronomie

Welche Sonnensystemobjekte haben die am wenigsten stabilen Sonnenbahnen?

Welche Sonnensystemobjekte haben die am wenigsten stabilen Sonnenbahnen?

Meine Recherchen geben mir nichts definitives. Sind die Umlaufbahnen der Apollo-Asteroiden weniger stabil als die der Zentauren oder irgendwelche Trojaner, oder befindet sich eine andere Klasse von Objekten in weniger stabilen Sonnenumlaufbahnen? Auf welcher Zeitskala sind diese Umlaufbahnen instabil?


Die am wenigsten stabilen Umlaufbahnen sind wahrscheinlich die vorübergehend gefangenen Umlaufbahnen der Erde und anderer Planeten. Dies sind Körper, die von der Erd-/Mond-Gravitationsquelle eingefangen wurden und sich von Sonnenbahnen in terrestrische Bahnen bewegen. Sie haben normalerweise komplexe Umlaufbahnen, die sie weit über die Umlaufbahn des Mondes hinausführen, und die meisten halten nicht lange.

Die meisten dieser Objekte sind klein, typischerweise weniger als 1 m im Durchmesser. Es gibt wahrscheinlich ungefähr 1000 solcher Körper mit einer Größe von 10 cm und mehr, die die Erde umkreisen. Normalerweise bleiben sie unentdeckt, aber gelegentlich wird ein größeres Objekt entdeckt. Zuletzt wurde 2020 CD3 im Winter 2015/16 eingefangen und entkam im Mai 2020 der Erdanziehungskraft.

Die Bahnen solcher temporärer Orbiter sind nicht stabil, sie entkommen normalerweise nach einigen Jahren der Erd-Mond-Schwerkraft gut und kehren zu heliozentrischen Bahnen zurück.


Anzeichen für einen verborgenen Planeten Neun im Sonnensystem können nicht standhalten

Planet Neun könnte eine Fata Morgana sein. Was einst wie ein Beweis für einen massiven Planeten aussah, der sich am Rand des Sonnensystems versteckt, könnte eine Illusion sein, wie eine neue Studie nahelegt.

„Wir können es nicht ausschließen“, sagt Kevin Napier, Physiker an der University of Michigan in Ann Arbor. "Aber es gibt nicht unbedingt einen Grund, es zu regieren."

Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass sich eine Reihe weit entfernter Objekte im Sonnensystem am Himmel ansammeln, als würden sie von einem unsichtbaren Riesenplaneten, der mindestens die 10-fache Masse der Erde hat, bewacht. Astronomen nannten die unsichtbare Welt Planet Neun oder Planet X.

Jetzt zeigt eine neue Analyse von 14 dieser entfernten Körper keine Beweise für eine solche Anhäufung, was den Hauptgrund für den Glauben an Planet Neun zunichte macht. Napier und Kollegen berichteten die Ergebnisse am 10. Februar auf arXiv.org in einem Papier, das in der Zeitschrift für Planetenwissenschaft.

Die Idee eines fernen Planeten, der weit hinter Neptun lauert, stieß 2014 auf großes Interesse, als die Astronomen Chad Trujillo von der Northern Arizona University und Scott Sheppard von der Carnegie Institution for Science über eine Sammlung von fernen Körpern des Sonnensystems berichteten, die als transneptunische Objekte bezeichnet werden gebündelte Umlaufbahnen (SN: 14.11.14).

Im Jahr 2016 verwendeten die Caltech-Planetenwissenschaftler Mike Brown und Konstantin Batygin sechs transneptunische Objekte, um die möglichen Eigenschaften von Planet Neun zu verfeinern und ihn auf eine Umlaufbahn zu bringen, die zwischen 500 und 600 Mal so weit von der Sonne entfernt ist wie die der Erde (SN: 7/5/16).

Aber diese früheren Studien stützten sich alle auf eine Handvoll Objekte, die möglicherweise nicht alles repräsentierten, was es da draußen gibt, sagt Gary Bernstein, Astronom an der University of Pennsylvania. Die Objekte schienen in bestimmten Teilen des Himmels nur deshalb aufzutauchen, weil Astronomen zufällig dorthin schauten.

„Es ist wichtig zu wissen, was man nicht sehen konnte, zusätzlich zu dem, was man gesehen hat“, sagt er.

Um dieser Unsicherheit Rechnung zu tragen, kombinierten Napier, Bernstein und Kollegen Beobachtungen aus drei Vermessungen – dem Dark Energy Survey, dem Outer Solar System Origins Survey und der ursprünglichen Vermessung von Sheppard und Trujillo –, um 14 transneptunische Objekte zu bewerten, mehr als doppelt so viele viele wie in der Studie 2016. Diese Objekte befinden sich alle zwischen 233 und 1.560 Mal so weit von der Sonne entfernt wie die Erde.

Das Team führte dann Computersimulationen von etwa 10 Milliarden gefälschten transneptunischen Objekten durch, die zufällig über den ganzen Himmel verteilt waren, und überprüfte, ob ihre Positionen mit denen übereinstimmten, die die Vermessungen sehen sollten. Sie taten.

„Es sieht wirklich so aus, als würden wir Dinge dort finden, wo wir suchen“, sagt Napier. Es ist so, als ob man nachts seine Schlüssel verloren hätte und unter einer Straßenlaterne danach gesucht hätte, nicht weil man dachte, sie wären da, sondern weil dort das Licht war. Die neue Studie weist grundsätzlich auf die Straßenlaternen hin.

„Sobald Sie sehen, wo sich die Laternenpfähle wirklich befinden, wird klar, dass bei der Entdeckung dieser Objekte ein ernsthafter Selektionsbias im Gange ist“, sagt Napier. Das bedeutet, dass die Objekte genauso wahrscheinlich zufällig über den Himmel verteilt sind, wie sie verklumpt sind.

Das bedeutet nicht unbedingt, dass Planet Neun erledigt ist, sagt er.

„Auf Twitter haben die Leute sehr gerne gesagt, dass dies Planet Neun tötet“, sagt Napier. „Ich möchte sehr vorsichtig sein zu erwähnen, dass dies Planet Neun nicht tötet. Aber es ist nicht gut für Planet Neun.“

Es gibt andere Geheimnisse des Sonnensystems, die Planet Neun ordentlich erklärt hätte, sagt die Astronomin Samantha Lawler von der University of Regina in Kanada, die nicht an der neuen Studie beteiligt war. Ein weit entfernter Planet könnte erklären, warum einige weit entfernte Objekte des Sonnensystems relativ zu denen der größeren Planeten geneigte Umlaufbahnen haben oder woher Protokometen, die Zentauren genannt werden (SN: 18.08.20). Das war ein Teil des Reizes der Planet-Neun-Hypothese.

„Aber der einzige Grund dafür war die Anhäufung dieser Umlaufbahnen“, sagt sie. „Wenn diese Anhäufung nicht real ist, gibt es keinen Grund zu der Annahme, dass es im fernen Sonnensystem einen riesigen Planeten gibt, den wir noch nicht entdeckt haben.“

Batygin, einer der Autoren des Papiers von 2016, ist nicht bereit aufzugeben. „Ich bin immer noch ziemlich optimistisch, was Planet Neun angeht“, sagt er. Er vergleicht Napiers Argument damit, eine Bärengruppe im Wald zu sehen: Wenn man im Osten einen Haufen Bären sieht, könnte man meinen, dort sei eine Bärenhöhle. „Aber Napier sagt, dass die Bären überall um uns herum sind, weil wir nicht überall nachgesehen haben“, sagt Batygin. „Diesen logischen Sprung können Sie nicht machen.“

Beweise für Planet Neun sollten sich nur in den Umlaufbahnen von Objekten zeigen, die über Milliarden von Jahren stabil sind, fügt Batygin hinzu. Aber die neue Studie, sagt er, sei „stark kontaminiert“ durch instabile Objekte – Körper, die möglicherweise von Neptun angestoßen wurden und ihre Position im Haufen verloren haben oder auf dem Weg sind, das Sonnensystem vollständig zu verlassen. „Wenn Sie Schmutz mit Ihrem Eis mischen, werden Sie hauptsächlich Schmutz schmecken“, sagt er.

Lawler sagt, dass es keinen Konsens unter Menschen gibt, die transneptunische Objekte untersuchen, welche stabil sind und welche nicht.

Alle sind sich jedoch einig, dass Astronomen mehr transneptunische Objekte entdecken müssen, um die Existenz oder Nichtexistenz von Planet Neun zu beweisen. Das Vera-Rubin-Observatorium in Chile sollte Hunderte weitere finden, nachdem es 2023 mit der Vermessung des Himmels beginnt (SN: 1/10/20).

„Unser Verständnis kann immer eine Lücke aufweisen“, sagt Napier. "Deshalb suchen wir weiter."


Welche Sonnensystemobjekte haben die am wenigsten stabilen Sonnenbahnen? - Astronomie

Das Sonnensystem ist der astronomische Name für die Sonne, die Erde und die Ansammlung von Planeten und anderen felsigen und eisigen Objekten, die sich um die Sonne bewegen oder diese umkreisen.

Die Hauptkomponente des Sonnensystems ist die Sonne, die 98,6 Prozent der Masse des Systems enthält und deren Schwerkraft alles andere in der Umlaufbahn hält.

Die Umlaufbahn der Erde um die Sonne ist fast ein perfekter Kreis, aber bei der Kartierung zeigt sich, dass sich die Erde in einer sehr leicht ovalen oder elliptischen Umlaufbahn um die Sonne bewegt. Auch die anderen Planeten des Sonnensystems umkreisen die Sonne auf leicht elliptischen Bahnen. Merkur hat eine elliptischere Umlaufbahn als die anderen, und einige der kleineren Objekte umkreisen die Sonne auf sehr exzentrischen Umlaufbahnen.

  • (1) Merkur
  • (2) Venus
  • (3) Erde
  • (4) Mars
  • (5) Jupiter
  • (6) Saturn
  • (7) Uranus
  • (8) Neptun

Die Planeten sind die größten Objekte, die die Sonne umkreisen. Es dauerte viele Jahre, bis die Menschen sorgfältig durch Teleskope schauten, um die am weitesten entfernten zu finden. Niemand erwartet, neue Planeten zu finden, aber jedes Jahr werden mehr kleine Objekte gefunden. Die meisten Planeten haben Monde, die sie umkreisen. Es gibt mindestens 173 dieser Monde im Sonnensystem.

Pluto wurde seit seiner Entdeckung im Jahr 1930 als Planet bezeichnet, aber im Jahr 2006 beschlossen Astronomen, die bei der Internationalen Astronomischen Union trafen, zum ersten Mal die Definition eines Planeten, und Pluto passte nicht. Stattdessen definierten sie eine neue Kategorie von Zwergplaneten, in die Pluto zusammen mit einigen anderen Objekten passte.

Pluto ist jetzt einer von fünf Zwergplaneten, hier sind sie nach ihrer Entfernung von der Sonne geordnet.:

Astronomen gehen davon aus, dass sie bald weitere Zwergplaneten finden werden.

Vor der Entdeckung von Uranus dachten die Alten, das Sonnensystem bestehe nur aus Sonne, Mond, Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn.

Bis zum 16. und 17. Jahrhundert dachten westliche Wissenschaftler, dass die Sonne und die Planeten die Erde umkreisen. Das dachten auch die alten Zivilisationen, mit Ausnahme einiger Individuen der griechischen, indischen und muslimischen Zivilisation.

  • Uranus, entdeckt 1781
  • Ceres, entdeckt 1801, kürzlich (2006) als Zwergplanet definiert
  • Neptun, entdeckt 1846
  • Pluto, entdeckt 1930
  • Eris, entdeckt 2005

Das Sonnensystem besteht aus der Sonne und den durch die Schwerkraft an sie gebundenen Himmelskörpern, die alle vor etwa 4,6 Milliarden Jahren durch den Zusammenbruch einer riesigen Molekülwolke entstanden sind. Von dem Gefolge von Objekten, die die Sonne umkreisen, befindet sich der größte Teil der Masse in acht relativ einsamen Planeten, deren Umlaufbahnen fast kreisförmig sind und innerhalb einer fast flachen Scheibe, der Ekliptikebene, liegen. Die vier kleineren inneren Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars, auch Erdplaneten genannt, bestehen hauptsächlich aus Gestein und Metall. Die vier äußeren Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun, auch Gasriesen genannt, bestehen größtenteils aus Wasserstoff und Helium und sind weit massereicher als die Erden.

Das Sonnensystem beherbergt auch zwei Regionen, die von kleineren Objekten bevölkert sind. Der Asteroidengürtel, der zwischen Mars und Jupiter liegt, ähnelt den terrestrischen Planeten, da er hauptsächlich aus Gestein und Metall besteht. Jenseits der Neptunbahn liegen transneptunische Objekte, die hauptsächlich aus Eis wie Wasser, Ammoniak und Methan bestehen. Innerhalb dieser Regionen gelten fünf einzelne Objekte, Ceres, Pluto, Haumea, Makemake und Eris, als groß genug, um durch ihre eigene Schwerkraft gerundet zu werden, und werden daher als Zwergplaneten bezeichnet. Zusätzlich zu Tausenden von kleinen Körpern in diesen beiden Regionen reisen verschiedene andere kleine Körperpopulationen wie Kometen, Zentauren und interplanetarer Staub frei zwischen den Regionen.

Das Sonnenwind, ein Plasmastrom von der Sonne, erzeugt im interstellaren Medium, der Heliosphäre, eine Blase, die sich bis zum Rand der Streuscheibe erstreckt. Die hypothetische Oortsche Wolke, die als Quelle für langperiodische Kometen fungiert, könnte auch in einer Entfernung von etwa tausendmal größer als die Heliosphäre existieren.

Sechs der Planeten und drei der Zwergplaneten werden von natürlichen Satelliten umkreist, die normalerweise nach dem Erdmond "Monde" genannt werden. Jeder der äußeren Planeten ist von planetarischen Ringen aus Staub und anderen Partikeln umgeben.

Das Sonne ist der Stern im Zentrum des Sonnensystems. Die Sonne hat einen Durchmesser von etwa 1.392.000 Kilometer (865.000 Meilen) (etwa 109 Erden) und macht allein etwa 99,86% der Masse des Sonnensystems aus, der Rest besteht aus den Planeten (einschließlich der Erde), Asteroiden, Meteoroiden, Kometen und Staub im Orbit. Etwa drei Viertel der Sonnenmasse besteht aus Wasserstoff, der Rest ist Helium. Weniger als 2% besteht aus anderen Elementen, einschließlich Eisen, Sauerstoff, Kohlenstoff, Neon und anderen.

Das interplanetares Medium ist das Material, das das Sonnensystem ausfüllt und durch das sich alle größeren Sonnensystemkörper wie Planeten, Asteroiden und Kometen bewegen.

EIN terrestrischer Planet, tellurischer Planet oder felsiger Planet ist ein Planet, der hauptsächlich aus Silikatgesteinen besteht. Innerhalb des Sonnensystems sind die terrestrischen Planeten die inneren Planeten, die der Sonne am nächsten sind (Merkur, Venus, Erde, Mars und ein terrestrischer Zwergplanet, Ceres.). Die Begriffe sind von lateinischen Wörtern für Erde (Terra und Tellus) abgeleitet, und eine alternative Definition wäre, dass dies Planeten sind, die in bemerkenswerter Weise "erdähnlich" sind.

Das Asteroidengürtel ist die Region des Sonnensystems, die ungefähr zwischen den Umlaufbahnen der Planeten Mars und Jupiter liegt. Es ist von zahlreichen unregelmäßig geformten Körpern besetzt, die als Asteroiden oder Kleinplaneten bezeichnet werden. Die Asteroidengürtelregion wird auch als Hauptgürtel bezeichnet, um sie von anderen Konzentrationen kleiner Planeten innerhalb des Sonnensystems wie dem Kuipergürtel und der Streuscheibe zu unterscheiden.

EIN Gasriese (manchmal auch als Jupiterplanet nach dem Planeten Jupiter oder Riesenplanet bekannt) ist ein großer Planet, der nicht hauptsächlich aus Gestein oder anderen festen Stoffen besteht. In unserem Sonnensystem gibt es vier Gasriesen: Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Viele extrasolare Gasriesen wurden identifiziert, die andere Sterne umkreisen.

EIN Komet ist ein kleiner Sonnensystemkörper, der größer als ein Meteoroid ist, der, wenn er nahe genug an der Sonne ist, eine sichtbare Koma (unscharfe "Atmosphäre") und manchmal einen Schweif aufweist, beides aufgrund der Auswirkungen der Sonnenstrahlung auf den Kern des Kometen. Kometenkerne sind selbst lose Ansammlungen von Eis, Staub und kleinen Gesteinspartikeln mit einem Durchmesser von einigen hundert Metern bis zu mehreren zehn Kilometern.

Das Kuiper Gürtel, manchmal auch Edgeworth-Kuiper-Gürtel genannt, ist eine Region des Sonnensystems jenseits der Planeten, die sich von der Umlaufbahn des Neptuns (bei 30 AE) bis etwa 55 AE von der Sonne entfernt erstreckt. Er ähnelt dem Asteroidengürtel, obwohl er viel größer ist – 20-mal so breit und 20-200-mal so massiv. Wie der Asteroidengürtel besteht er hauptsächlich aus kleinen Körpern oder Überresten der Entstehung des Sonnensystems. Während der Asteroidengürtel hauptsächlich aus Gestein und Metall besteht, bestehen die Objekte des Kuipergürtels größtenteils aus gefrorenen flüchtigen Stoffen (als "Eis" bezeichnet) wie Methan, Ammoniak und Wasser. Es beherbergt mindestens drei Zwergplaneten – Pluto, Haumea und Makemake.

Das Streuscheibe (oder Streuscheibe) ist eine entfernte Region des Sonnensystems, die spärlich von eisigen Kleinplaneten bevölkert ist, einer Untergruppe der breiteren Familie der transneptunischen Objekte. Die Streuscheibenobjekte haben Orbitalexzentrizitäten von bis zu 0,8, Neigungen von bis zu 40° und eine Perihelie von mehr als 30 astronomischen Einheiten. Es wird angenommen, dass diese extremen Umlaufbahnen das Ergebnis der Gravitations-"Streuung" durch die Gasriesen sind, und die Objekte werden weiterhin vom Planeten Neptun gestört. Während die nächste Entfernung von gestreuten Objekten zur Sonne etwa 30–35 AE beträgt, können ihre Umlaufbahnen weit über 100 AE hinausgehen. Dies macht gestreute Objekte "zu den am weitesten entfernten und kältesten Objekten im Sonnensystem". Der innerste Teil der Streuscheibe überlappt mit einem torusförmigen Bereich umlaufender Objekte, der als Kuiper-Gürtel bekannt ist, aber seine äußeren Grenzen reichen viel weiter von der Sonne entfernt und weiter über und unter der Ekliptik als der eigentliche Gürtel.

Das Oort Cloud ist eine hypothetische kugelförmige Kometenwolke, die ungefähr 50.000 AE oder fast ein Lichtjahr von der Sonne entfernt liegen könnte. Dadurch befindet sich die Wolke in fast einem Viertel der Entfernung zu Proxima Centauri, dem sonnennächsten Stern. Der Kuipergürtel und die Streuscheibe, die beiden anderen bekannten Reservoirs transneptunischer Objekte, sind weniger als ein Tausendstel der Entfernung der Oortschen Wolke entfernt. Die äußere Ausdehnung der Oortschen Wolke definiert die Gravitationsgrenze unseres Sonnensystems.

Das Vulkanoide sind eine hypothetische Population von Asteroiden, die die Sonne in einer dynamisch stabilen Zone innerhalb der Umlaufbahn des Planeten Merkur umkreisen könnten. Sie sind nach dem hypothetischen Planeten Vulkan benannt, dessen Existenz 1915 widerlegt wurde. Es wurden noch keine Vulkanoide entdeckt, und es ist nicht klar, ob es welche gibt.

Planeten jenseits von Neptun. Nach der Entdeckung des Planeten Neptun im Jahr 1846 gab es beträchtliche Spekulationen, dass ein anderer Planet außerhalb seiner Umlaufbahn existieren könnte. Die Suche begann Mitte des 19. Jahrhunderts, gipfelte aber Anfang des 20. Jahrhunderts in Percival Lowells Suche nach Planet X. Lowell schlug die Planet-X-Hypothese vor, um offensichtliche Diskrepanzen in den Bahnen der Gasriesen, insbesondere Uranus und Neptun, zu erklären, und spekulierte darauf die Schwerkraft eines großen, unsichtbaren neunten Planeten könnte Uranus genug gestört haben, um die Unregelmäßigkeiten zu erklären.

Das Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems Es wird geschätzt, dass es vor 4,55 bis 4,56 Milliarden Jahren mit dem gravitativen Kollaps eines kleinen Teils einer riesigen Molekülwolke begann. Der größte Teil der kollabierenden Masse sammelte sich im Zentrum und bildete die Sonne, während der Rest sich zu einer protoplanetaren Scheibe abflachte, aus der sich die Planeten, Monde, Asteroiden und andere kleine Körper des Sonnensystems bildeten.


Neue Forschung hilft bei der Erklärung von eigentümlichen Bahnen und Clustern von freistehenden Objekten des äußeren Sonnensystems

Unser Sonnensystem enthält eine große Population von Eiskörpern, die sich weit über die Umlaufbahn von Neptun hinaus erstrecken. Diese Objekte sind Überbleibsel aus der frühen Entstehung des Sonnensystems, die von Neptun von ihrem Geburtsort nach außen gestreut wurden. Neue Forschungen der University of Colorado Boulder könnten helfen, das Rätsel zu lösen, warum so viele dieser transneptunischen Eiskörper die Sonne nicht so umkreisen, wie sie sollten.

Künstlerisches Konzept des Kleinplaneten Sedna, eines der freistehenden transneptunischen Objekte. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech.

Die Umlaufbahnen extremer transneptunischer Objekte, die Astronomen als „abgelöste Objekte“ bezeichnen, neigen und knicken neben anderen ungewöhnlichen Verhaltensweisen aus der Ebene des Sonnensystems heraus.

Einige Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass etwas Großes daran schuld sein könnte —, wie ein bisher unsichtbarer neunter Planet, der hinter Neptun lauert, der Objekte in seinem Kielwasser verstreut.

Aber die Boulder-Astronomin Ann-Marie Madigan und ihre Kollegen von der University of Colorado denken lieber kleiner.

Anhand umfassender Computersimulationen argumentieren die Forscher, dass diese abgelösten Objekte möglicherweise ihre eigenen Umlaufbahnen gestört haben – durch winzige Gravitationsstöße, die sich über Millionen von Jahren summierten.

„Die Ergebnisse liefern einen verlockenden Hinweis darauf, was in dieser mysteriösen Region des Weltraums vor sich geht“, sagte Dr. Madigan.

Die Wissenschaftler nutzten Supercomputer, um die Dynamik des äußeren Sonnensystems detaillierter als je zuvor nachzubilden.

„Wir haben etwas modelliert, das einmal im äußeren Sonnensystem existiert haben könnte, und haben auch den gravitativen Einfluss riesiger Planeten wie Jupiter hinzugefügt“, sagte Alexander Zderic, ein Doktorand an der University of Colorado Boulder.

Dabei entdeckte das Team etwas Ungewöhnliches: Die eisigen Objekte in ihren Simulationen begannen wie gewohnt um die Sonne zu kreisen. Aber dann, im Laufe der Zeit, begannen sie aneinander zu ziehen und zu drücken.

Infolgedessen wurden ihre Umlaufbahnen wackeliger, bis sie schließlich der Realität ähnelten.

Das Bemerkenswerteste war, dass sie alles alleine machten – die Asteroiden und Kleinplaneten brauchten keinen großen Planeten, um sie auf den Prüfstand zu stellen.

Vergleich der größten transneptunischen Objekte: Pluto, Eris, Haumea, Makemake, Gonggong, Quaoar, Sedna, 2002 MS4, Orcus und Salacia. Bildnachweis: Lexikon / CC BY-SA 3.0.

„Individuell sind alle Gravitationswechselwirkungen zwischen diesen kleinen Körpern schwach. Aber wenn Sie genug davon haben, wird das wichtig“, sagte Dr. Madigan.

Die Autoren hatten in früheren Forschungen Hinweise auf ähnliche Muster gesehen, aber ihre neuesten Ergebnisse liefern die bisher umfassendsten Beweise.

Damit ihre Theorie der „kollektiven Gravitation“ funktioniert, musste das äußere Sonnensystem einst eine riesige Menge an Material enthalten.

„Man brauchte Objekte, die zusammen etwas in der Größenordnung von 20 Erdmassen ergeben“, sagte Dr. Madigan.

"Das ist theoretisch möglich, aber es wird definitiv gegen die Überzeugungen der Menschen stoßen."

„Wissenschaftler sollten es so oder so bald herausfinden. Ein neues Teleskop namens Vera C. Rubin Observatory soll 2022 in Chile ans Netz gehen und ein neues Licht auf diesen unbekannten Raum werfen.“

„Ein Großteil der jüngsten Faszination für das äußere Sonnensystem hängt mit technologischen Fortschritten zusammen. Sie brauchen wirklich die neueste Generation von Teleskopen, um diese Körper zu beobachten“, sagte Zderic.

Alexander Zderic und Ann-Marie Madigan. 2020. Einfluss von Riesenplaneten auf die kollektive Schwerkraft einer ursprünglichen Streuscheibe. AJ 160, 50 doi: 10.3847/1538-3881/ab962f

Alexander Zderic et al. 2020. Apsidale Clustering nach der Neigungsinstabilität. ApJL 895, L27 doi: 10.3847/2041-8213/ab91a0


Was sind Lagrange-Punkte?

Lagrange-Punkte sind Positionen im Weltraum, an denen die Gravitationskräfte eines Zweikörpersystems wie der Sonne und der Erde verstärkte Bereiche der Anziehung und Abstoßung erzeugen. Diese können von Raumfahrzeugen als "Parkplätze" im Weltraum genutzt werden, um mit minimalem Treibstoffverbrauch in einer festen Position zu bleiben.

Es gibt fünf spezielle Punkte, an denen eine kleine Masse in einem konstanten Muster mit zwei größeren Massen umkreisen kann. Die Lagrange-Punkte sind Positionen, an denen die Anziehungskraft zweier großer Massen genau der Zentripetalkraft entspricht, die ein kleines Objekt benötigt, um sich mit ihnen zu bewegen. Dieses mathematische Problem, das als "Allgemeines Drei-Körper-Problem" bekannt ist, wurde von Lagrange in seiner preisgekrönten Arbeit betrachtet (Essai sur le Problème des Trois Corps, 1772).

Von den fünf Lagrange-Punkten sind drei instabil und zwei stabil. Die instabilen Lagrange-Punkte - mit L1, L2 und L3 bezeichnet - liegen entlang der Verbindungslinie der beiden großen Massen. Die stabilen Lagrange-Punkte - mit L4 und L5 bezeichnet - bilden die Spitze von zwei gleichseitigen Dreiecken, die die großen Massen an ihren Scheitelpunkten haben. L4 führt die Erdbahn an und L5 folgt.

Der L1-Punkt des Erde-Sonne-Systems bietet einen ununterbrochenen Blick auf die Sonne und beherbergt derzeit den Solar- und Heliosphären-Observatoriumssatelliten SOHO. Der L2-Punkt des Erde-Sonne-Systems war die Heimat der WMAP-Raumsonde, die derzeitige Heimat von Planck und die zukünftige Heimat des James Webb-Weltraumteleskops. L2 ist ideal für die Astronomie, da ein Raumfahrzeug nahe genug ist, um ohne weiteres mit der Erde zu kommunizieren, Sonne, Erde und Mond für Sonnenenergie hinter dem Raumfahrzeug halten kann und (bei entsprechender Abschirmung) unseren Teleskopen eine klare Sicht auf den Weltraum bietet. Die Punkte L1 und L2 sind auf einer Zeitskala von ungefähr 23 Tagen instabil, was erfordert, dass Satelliten, die diese Positionen umkreisen, regelmäßige Kurs- und Lagekorrekturen durchlaufen.

Die NASA wird wahrscheinlich keine Verwendung für den L3-Punkt finden, da er die ganze Zeit hinter der Sonne verborgen bleibt. Die Idee eines versteckten "Planeten-X" am L3-Punkt ist ein beliebtes Thema im Science-Fiction-Schreiben. Die Instabilität der Umlaufbahn von Planet X (auf einer Zeitskala von 150 Jahren) hinderte Hollywood nicht daran, Klassiker wie The Man from Planet X herauszubringen.

Die Punkte L4 und L5 beherbergen stabile Umlaufbahnen, solange das Massenverhältnis zwischen den beiden großen Massen 24,96 überschreitet. Diese Bedingung ist sowohl für das Erde-Sonne- als auch für das Erde-Mond-System und für viele andere Körperpaare im Sonnensystem erfüllt. Objekte, die um die Punkte L4 und L5 kreisen, werden oft als Trojaner bezeichnet, nach den drei großen Asteroiden Agamemnon, Achilles und Hector, die um die Punkte L4 und L5 des Jupiter-Sonne-Systems kreisen. (Laut Homer war Hektor der trojanische Champion, der von Achilles während der Belagerung von Troja durch König Agamemnon getötet wurde). Es gibt Hunderte von Trojanischen Asteroiden im Sonnensystem. Die meisten kreisen um Jupiter, andere umkreisen den Mars. Darüber hinaus haben mehrere Saturnmonde trojanische Gefährten. 1956 entdeckte der polnische Astronom Kordylewski große Staubkonzentrationen an den trojanischen Punkten des Erde-Mond-Systems. Das DIRBE-Instrument auf dem COBE-Satelliten bestätigte frühere IRAS-Beobachtungen eines Staubrings, der der Erdumlaufbahn um die Sonne folgt. Die Existenz dieses Rings hängt eng mit den Trojanischen Punkten zusammen, aber die Geschichte wird durch die Auswirkungen des Strahlungsdrucks auf die Staubkörner kompliziert. Im Jahr 2010 bestätigte das WISE-Teleskop der NASA schließlich den ersten Trojanischen Asteroiden (2010 TK7) um den führenden Lagrange-Punkt der Erde.

Finden der Lagrange-Punkte

Der einfachste Weg, Lagrange-Punkte zu verstehen, besteht darin, einen Bezugsrahmen zu verwenden, der sich mit dem System dreht. Die Kräfte, die in diesem System auf einen ruhenden Körper wirken, lassen sich ähnlich wie Windgeschwindigkeiten aus einer Wetterkarte aus einem effektiven Potential ableiten. Die Kräfte sind am stärksten, wenn die Konturen des effektiven Potentials am engsten beieinander liegen und am schwächsten, wenn die Konturen weit auseinander liegen.


Umlaufbahnen, die sich unter der Schwerkraft entwickeln

Das Sonnensystem erstreckt sich weit über Pluto hinaus und umfasst kleine Objekte auf ihren eigenen ungewöhnlichen Umlaufbahnen um die Sonne. Wie sind Sie dort hin gekommen? Eine neue Studie versucht diese Frage mit Simulationen zu beantworten.

Modelle und bewegte Objekte

Den größten Einfluss haben die größten Objekte im Sonnensystem. Modelle, die die Sonne und die äußeren Planeten – Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun – berücksichtigen, können realistische Näherungen des gesamten Gravitationseinflusses des Sonnensystems liefern.

Wenn Sie also ein Modell der wichtigsten im Spiel befindlichen Gravitationskräfte haben, können Sie umlaufende Objekte fallen lassen und sehen, was sie im Laufe der Zeit tun. Das klingt einfach, ist aber ein mächtiges Werkzeug, wenn es darum geht, die aktuelle Struktur unseres Sonnensystems zu verstehen.

Die zeitliche Entwicklung der Oberflächendichte der Scheibe (von oben links beginnend) von der Vorderseite (oben) und der Kante (unten) gesehen. Klicken um zu vergrößern. Gelbe Regionen haben eine höhere Dichte als blaue Regionen. Die Zeitskala P steht für 1.000 Jahre. Die Autoren bemerken den „Kegel“ der Umlaufbahnen, die vor t = 4.300 P vorhanden sind, sowie den kohärenten Ring von Umlaufbahnen, der bei t = 9.900 P am deutlichsten ist, was einem „m = 1 Modus". [Zderic et al. 2020]

Eine Scheibe am Stadtrand

Die von Zderic und Mitarbeitern untersuchte Scheibe besteht aus Objekten, die etwa 100 bis 1.000 astronomische Einheiten (au) von der Sonne entfernt umkreisen. Zum Kontext: Die größte Entfernung von Pluto von der Sonne beträgt nur 50 AE, sodass diese Entfernungen definitiv als das äußere Sonnensystem gelten. Die Umlaufbahnen der Scheibenobjekte beginnen alle in derselben Ebene (die auch die Ebene ist, in der die Planeten des Sonnensystems kreisen), aber sie haben eine überdurchschnittliche Exzentrizität (wie es die Bedingungen im äußeren Sonnensystem erfordern).

In früheren Studien mit Scheiben höherer Masse wurde gezeigt, dass die Scheibenbedingungen innerhalb von 660 Millionen Jahren simulierter Zeit einen konsistenten Zustand erreichen. Zderic und seine Mitarbeiter waren an diesem konsistenten Zustand interessiert, der das Langzeitverhalten der Festplatte widerspiegelt. Um diesen Zustand schneller zu erreichen, verwendeten die Autoren ein gleichwertiges Setup: Sie begannen mit einer weniger massiven Scheibe und ließen ihre Simulation knapp 10 Millionen Jahre lang laufen.

Entwicklung zweier Bahnparameter für ein bestimmtes Objekt, insbesondere Exzentrizität (y-Achse) und Länge des Perihels (x-Achse die Summe zweier anderer Bahneigenschaften, die die Orientierung der Bahn relativ zu einer Ebene festlegt). Zwischen 5.000 P und 9.000 P befindet sich das betrachtete Objekt im m = 1-Modus. [Zderic et al. 2020]

Modi in Modellen

Bei der Entwicklung der Objektscheibe zeigen die Autoren, dass die kollektive Schwerkraft der kleinen Körper eine Instabilität hervorrufen kann. Infolgedessen weist der Endzustand der Scheibe ein wesentliches Merkmal auf: Umlaufbahnen scheinen sich in einer bestimmten Region zu gruppieren. Dies wird als "Modus" bezeichnet, was eine Abkürzung für eine Gruppe von Orbitalparametern mit bestimmten Werten ist. Zderic und Mitarbeiter stellen fest, dass sich Objekte später in der Simulation dazu neigen, sich in der m = 1 -Modus, obwohl auch Objekte in den Modus fallen und wieder aus ihm herausfallen. Darüber hinaus zeigt das Hinzufügen von mehr Partikeln zur Simulation, dass Objekte länger im Modus bleiben. Extrapoliert auf das Sonnensystem kann der Modus stabil sein, solange das Sonnensystem in der Nähe ist.

Warum ist das interessant? Diese Simulationen zeigen, dass die kollektive Gravitation kleiner Körper in einer Scheibe auf natürliche Weise viele der beobachteten Verhaltensweisen von Objekten in unserem äußeren Sonnensystem reproduzieren kann – einschließlich extremer transneptunischer Objekte (TNOs), kleiner Körper jenseits der Neptunbahn, die auf sehr ungewöhnliche Bahnen.

Schema, das die beobachtete Ausrichtung der Umlaufbahnen von abgelösten extremen TNOs und die vorgeschlagene Umlaufbahn eines hypothetischen Planeten mit Supererdmasse zeigt (grün). Aber ist Planet Neun wirklich notwendig, um die extremen TNO-Umlaufbahnen zu erklären? [Sheppardet al. 2019]

Weitere Arbeiten werden die Simulation von Scheiben mit hoher Masse erfordern, die dem frühen Sonnensystem ähnlicher sind. Halten Sie Ausschau nach zukünftigen Studien, die die Ursache der Struktur unseres Sonnensystems untersuchen!

Zitat

„Apsidale Clustering nach der Neigungsinstabilität“, Alexander Zderic et al 2020 ApJL 895 L27. doi:10.3847/2041-8213/ab91a0


Inhalt

Traditionell wurden in der Astronomie Geräte wie ein Blinkkomparator verwendet, um Objekte im Sonnensystem zu erkennen, da sich diese Objekte zwischen zwei Belichtungen bewegen würden – dies erforderte zeitaufwändige Schritte wie das Belichten und Entwickeln von fotografischen Platten oder Filmen und die Verwendung eines Blinkkomparators um potenzielle Objekte manuell zu erkennen. In den 1980er Jahren ermöglichte der Einsatz von CCD-basierten Kameras in Teleskopen die direkte Erzeugung elektronischer Bilder, die dann leicht digitalisiert und in digitale Bilder überführt werden konnten. Da das CCD mehr Licht einfing als Film (ca. 90 % gegenüber 10 % des einfallenden Lichts) und das Blinken nun an einem einstellbaren Computerbildschirm erfolgen konnte, ermöglichten die Untersuchungen einen höheren Durchsatz. Eine Flut neuer Entdeckungen war die Folge: Zwischen 1992 und 2006 wurden über tausend transneptunische Objekte entdeckt. [5]

Das erste als solches erkannte Streuscheibenobjekt (SDO) war 1996 TL66 , [6] [7] wurde ursprünglich 1996 von Astronomen auf dem Mauna Kea auf Hawaii identifiziert. Drei weitere wurden durch dieselbe Umfrage im Jahr 1999 identifiziert: 1999 CV118 , 1999 ZY118 und 1999 CF 1999119 . [8] Das erste derzeit als SDO klassifizierte Objekt, das entdeckt wurde, war 1995 TL8 , 1995 von Spacewatch gefunden. [9]

Bis 2011 wurden über 200 SDOs identifiziert, [10] einschließlich Gǃkúnǁʼhòmdímà (entdeckt von Schwamb, Brown und Rabinowitz), [11] 2002 TC302 (NEAT), Eris (Brown, Trujillo und Rabinowitz), [12] Sedna (Brown, Trujillo und Rabinowitz) [13] und 2004 VN 112 (Deep Ecliptic Survey). [14] Obwohl angenommen wird, dass die Anzahl der Objekte im Kuiper-Gürtel und in der Streuscheibe ungefähr gleich ist, bedeutet die Beobachtungsverzerrung aufgrund ihrer größeren Entfernung, dass bisher weit weniger SDOs beobachtet wurden. [fünfzehn]

Bekannte transneptunische Objekte werden oft in zwei Unterpopulationen unterteilt: den Kuipergürtel und die Streuscheibe. [16] Ein drittes Reservoir transneptunischer Objekte, die Oort-Wolke, wurde vermutet, obwohl keine bestätigten direkten Beobachtungen der Oort-Wolke gemacht wurden. [2] Einige Forscher schlagen außerdem einen Übergangsraum zwischen der Streuscheibe und der inneren Oortschen Wolke vor, der mit „abgelösten Objekten“ bevölkert ist. [17]

Streuscheibe versus Kuiper-Gürtel Bearbeiten

The Kuiper belt is a relatively thick torus (or "doughnut") of space, extending from about 30 to 50 AU [18] comprising two main populations of Kuiper belt objects (KBOs): the classical Kuiper-belt objects (or "cubewanos"), which lie in orbits untouched by Neptune, and the resonant Kuiper-belt objects those which Neptune has locked into a precise orbital ratio such as 2:3 (the object goes around twice for every three Neptune orbits) and 1:2 (the object goes around once for every two Neptune orbits). These ratios, called orbital resonances, allow KBOs to persist in regions which Neptune's gravitational influence would otherwise have cleared out over the age of the Solar System, since the objects are never close enough to Neptune to be scattered by its gravity. Those in 2:3 resonances are known as "plutinos", because Pluto is the largest member of their group, whereas those in 1:2 resonances are known as "twotinos".

In contrast to the Kuiper belt, the scattered-disc population can be disturbed by Neptune. [19] Scattered-disc objects come within gravitational range of Neptune at their closest approaches (

30 AU) but their farthest distances reach many times that. [17] Ongoing research [20] suggests that the centaurs, a class of icy planetoids that orbit between Jupiter and Neptune, may simply be SDOs thrown into the inner reaches of the Solar System by Neptune, making them "cis-Neptunian" rather than trans-Neptunian scattered objects. [21] Some objects, like (29981) 1999 TD10, blur the distinction [22] and the Minor Planet Center (MPC), which officially catalogues all trans-Neptunian objects, now lists centaurs and SDOs together. [10]

The MPC, however, makes a clear distinction between the Kuiper belt and the scattered disc, separating those objects in stable orbits (the Kuiper belt) from those in scattered orbits (the scattered disc and the centaurs). [10] However, the difference between the Kuiper belt and the scattered disc is not clear-cut, and many astronomers see the scattered disc not as a separate population but as an outward region of the Kuiper belt. Another term used is "scattered Kuiper-belt object" (or SKBO) for bodies of the scattered disc. [23]

Morbidelli and Brown propose that the difference between objects in the Kuiper belt and scattered-disc objects is that the latter bodies "are transported in semi-major axis by close and distant encounters with Neptune," [16] but the former experienced no such close encounters. This delineation is inadequate (as they note) over the age of the Solar System, since bodies "trapped in resonances" could "pass from a scattering phase to a non-scattering phase (and vice versa) numerous times." [16] That is, trans-Neptunian objects could travel back and forth between the Kuiper belt and the scattered disc over time. Therefore, they chose instead to define the regions, rather than the objects, defining the scattered disc as "the region of orbital space that can be visited by bodies that have encountered Neptune" within the radius of a Hill sphere, and the Kuiper belt as its "complement . in the ein > 30 AU region" the region of the Solar System populated by objects with semi-major axes greater than 30 AU. [16]

Detached objects Edit

The Minor Planet Center classifies the trans-Neptunian object 90377 Sedna as a scattered-disc object. Its discoverer Michael E. Brown has suggested instead that it should be considered an inner Oort-cloud object rather than a member of the scattered disc, because, with a perihelion distance of 76 AU, it is too remote to be affected by the gravitational attraction of the outer planets. [24] Under this definition, an object with a perihelion greater than 40 AU could be classified as outside the scattered disc. [25]

Sedna is not the only such object: (148209) 2000 CR 105 (discovered before Sedna) and 2004 VN 112 have a perihelion too far away from Neptune to be influenced by it. This led to a discussion among astronomers about a new minor planet set, called the extended scattered disc (E-SDO). [26] 2000 CR 105 may also be an inner Oort-cloud object or (more likely) a transitional object between the scattered disc and the inner Oort cloud. More recently, these objects have been referred to as "detached", [27] or distant detached objects (DDO). [28]

There are no clear boundaries between the scattered and detached regions. [25] Gomes et al. define SDOs as having "highly eccentric orbits, perihelia beyond Neptune, and semi-major axes beyond the 1:2 resonance." By this definition, all distant detached objects are SDOs. [17] Since detached objects' orbits cannot be produced by Neptune scattering, alternative scattering mechanisms have been put forward, including a passing star [29] [30] or a distant, planet-sized object. [28] Alternative, it has been suggested that these objects have been captured from a passing star. [31]

A scheme introduced by a 2005 report from the Deep Ecliptic Survey by J. L. Elliott et al. distinguishes between two categories: scattered-near (i.e. typical SDOs) and scattered-extended (i.e. detached objects). [32] Scattered-near objects are those whose orbits are non-resonant, non-planetary-orbit-crossing and have a Tisserand parameter (relative to Neptune) less than 3. [32] Scattered-extended objects have a Tisserand parameter (relative to Neptune) greater than 3 and have a time-averaged eccentricity greater than 0.2. [32]

An alternative classification, introduced by B. J. Gladman, B. G. Marsden and C. Van Laerhoven in 2007, uses 10-million-year orbit integration instead of the Tisserand parameter. [33] An object qualifies as an SDO if its orbit is not resonant, has a semi-major axis no greater than 2000 AU, and, during the integration, its semi-major axis shows an excursion of 1.5 AU or more. [33] Gladman et al. suggest the term scattering disk object to emphasize this present mobility. [33] If the object is not an SDO as per the above definition, but the eccentricity of its orbit is greater than 0.240, it is classified as a detached TNO. [33] (Objects with smaller eccentricity are considered classical.) In this scheme, the disc extends from the orbit of Neptune to 2000 AU, the region referred to as the inner Oort cloud.

The scattered disc is a very dynamic environment. [15] Because they are still capable of being perturbed by Neptune, SDOs' orbits are always in danger of disruption either of being sent outward to the Oort cloud or inward into the centaur population and ultimately the Jupiter family of comets. [15] For this reason Gladman et al. prefer to refer to the region as the scattering disc, rather than scattered. [33] Unlike Kuiper-belt objects (KBOs), the orbits of scattered-disc objects can be inclined as much as 40° from the ecliptic. [34]

SDOs are typically characterized by orbits with medium and high eccentricities with a semi-major axis greater than 50 AU, but their perihelia bring them within influence of Neptune. [35] Having a perihelion of roughly 30 AU is one of the defining characteristics of scattered objects, as it allows Neptune to exert its gravitational influence. [8]

The classical objects (cubewanos) are very different from the scattered objects: more than 30% of all cubewanos are on low-inclination, near-circular orbits whose eccentricities peak at 0.25. [36] Classical objects possess eccentricities ranging from 0.2 to 0.8. Though the inclinations of scattered objects are similar to the more extreme KBOs, very few scattered objects have orbits as close to the ecliptic as much of the KBO population. [fünfzehn]

Although motions in the scattered disc are random, they do tend to follow similar directions, which means that SDOs can become trapped in temporary resonances with Neptune. Examples of possible resonant orbits within the scattered disc include 1:3, 2:7, 3:11, 5:22 and 4:79. [17]

The scattered disc is still poorly understood: no model of the formation of the Kuiper belt and the scattered disc has yet been proposed that explains all their observed properties. [16]

According to contemporary models, the scattered disc formed when Kuiper belt objects (KBOs) were "scattered" into eccentric and inclined orbits by gravitational interaction with Neptune and the other outer planets. [37] The amount of time for this process to occur remains uncertain. One hypothesis estimates a period equal to the entire age of the Solar System [38] a second posits that the scattering took place relatively quickly, during Neptune's early migration epoch. [39]

Models for a continuous formation throughout the age of the Solar System illustrate that at weak resonances within the Kuiper belt (such as 5:7 or 8:1), or at the boundaries of stronger resonances, objects can develop weak orbital instabilities over millions of years. The 4:7 resonance in particular has large instability. KBOs can also be shifted into unstable orbits by close passage of massive objects, or through collisions. Over time, the scattered disc would gradually form from these isolated events. [17]

Computer simulations have also suggested a more rapid and earlier formation for the scattered disc. Modern theories indicate that neither Uranus nor Neptune could have formed vor Ort beyond Saturn, as too little primordial matter existed at that range to produce objects of such high mass. Instead, these planets, and Saturn, may have formed closer to Jupiter, but were flung outwards during the early evolution of the Solar System, perhaps through exchanges of angular momentum with scattered objects. [40] Once the orbits of Jupiter and Saturn shifted to a 2:1 resonance (two Jupiter orbits for each orbit of Saturn), their combined gravitational pull disrupted the orbits of Uranus and Neptune, sending Neptune into the temporary "chaos" of the proto-Kuiper belt. [39] As Neptune traveled outward, it scattered many trans-Neptunian objects into higher and more eccentric orbits. [37] [41] This model states that 90% or more of the objects in the scattered disc may have been "promoted into these eccentric orbits by Neptune's resonances during the migration epoch. [therefore] the scattered disc might not be so scattered." [40]

Scattered objects, like other trans-Neptunian objects, have low densities and are composed largely of frozen volatiles such as water and methane. [42] Spectral analysis of selected Kuiper belt and scattered objects has revealed signatures of similar compounds. Both Pluto and Eris, for instance, show signatures for methane. [43]

Astronomers originally supposed that the entire trans-Neptunian population would show a similar red surface colour, as they were thought to have originated in the same region and subjected to the same physical processes. [42] Specifically, SDOs were expected to have large amounts of surface methane, chemically altered into tholins by sunlight from the Sun. This would absorb blue light, creating a reddish hue. [42] Most classical objects display this colour, but scattered objects do not instead, they present a white or greyish appearance. [42]

One explanation is the exposure of whiter subsurface layers by impacts another is that the scattered objects' greater distance from the Sun creates a composition gradient, analogous to the composition gradient of the terrestrial and gas giant planets. [42] Michael E. Brown, discoverer of the scattered object Eris, suggests that its paler colour could be because, at its current distance from the Sun, its atmosphere of methane is frozen over its entire surface, creating an inches-thick layer of bright white ice. Pluto, conversely, being closer to the Sun, would be warm enough that methane would freeze only onto cooler, high-albedo regions, leaving low-albedo tholin-covered regions bare of ice. [43]

The Kuiper belt was initially thought to be the source of the Solar System's ecliptic comets. However, studies of the region since 1992 have shown that the orbits within the Kuiper belt are relatively stable, and that ecliptic comets originate from the scattered disc, where orbits are generally less stable. [44]

Comets can loosely be divided into two categories: short-period and long-period—the latter being thought to originate in the Oort cloud. The two major categories of short-period comets are Jupiter-family comets (JFCs) and Halley-type comets. [15] Halley-type comets, which are named after their prototype, Halley's Comet, are thought to have originated in the Oort cloud but to have been drawn into the inner Solar System by the gravity of the giant planets, [45] whereas the JFCs are thought to have originated in the scattered disc. [19] The centaurs are thought to be a dynamically intermediate stage between the scattered disc and the Jupiter family. [20]

There are many differences between SDOs and JFCs, even though many of the Jupiter-family comets may have originated in the scattered disc. Although the centaurs share a reddish or neutral coloration with many SDOs, their nuclei are bluer, indicating a fundamental chemical or physical difference. [45] One hypothesis is that comet nuclei are resurfaced as they approach the Sun by subsurface materials which subsequently bury the older material. [45]


Inhalt

Entdeckung Bearbeiten

Sedna (provisionally designated 2003 VB12) was discovered by Michael Brown (Caltech), Chad Trujillo (Gemini Observatory), and David Rabinowitz (Yale University) on 14 November 2003. The discovery formed part of a survey begun in 2001 with the Samuel Oschin telescope at Palomar Observatory near San Diego, California, using Yale's 160-megapixel Palomar Quest camera. On that day, an object was observed to move by 4.6 arcseconds over 3.1 hours relative to stars, which indicated that its distance was about 100 AU. Follow-up observations were made in November–December 2003 with the SMARTS telescope at Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chile, the Tenagra IV telescope in Nogales, Arizona, and the Keck Observatory on Mauna Kea in Hawaii. Combining those with precovery observations taken at the Samuel Oschin telescope in August 2003, and from the Near-Earth Asteroid Tracking consortium in 2001–2002, allowed accurate determination of its orbit. The calculations showed that the object was moving along a distant highly eccentric orbit, at a distance of 90.3 AU from the Sun. [19] [16] Precovery images have later been found in images of the Palomar Digitized Sky Survey dating back to 25 September 1990. [2]

Naming Edit

Brown initially nicknamed Sedna "The Flying Dutchman", or "Dutch", after a legendary ghost ship, because its slow movement had initially masked its presence from his team. [20] For an official name for the object, Brown settled on "Sedna", a name from Inuit mythology, which Brown chose partly because he mistakenly thought the Inuit were the closest polar culture to his home in Pasadena, and partly because the name, unlike Quaoar, would be easily pronounceable. [20] On his website, he wrote:

Our newly discovered object is the coldest, most distant place known in the Solar System, so we feel it is appropriate to name it in honor of Sedna, the Inuit goddess of the sea, who is thought to live at the bottom of the frigid Arctic Ocean. [21]

Brown also suggested to the International Astronomical Union's (IAU) Minor Planet Center that any future objects discovered in Sedna's orbital region should also be named after entities in arctic mythologies. [21] The team made the name "Sedna" public before the object had been officially numbered. [22] Brian Marsden, the head of the Minor Planet Center, said that such an action was a violation of protocol, and that some members of the IAU might vote against it. [23] No objection was raised to the name, and no competing names were suggested. The IAU's Committee on Small Body Nomenclature accepted the name in September 2004, [24] and also considered that, in similar cases of extraordinary interest, it might in the future allow names to be announced before they were officially numbered. [22]

The customary English spelling "Sedna" was popularized by Franz Boas. [25] The modern pronunciation in the region (southern Baffin Island) is 'Sanna', with dn perhaps becoming nn over the years. [26]

Sedna has the second longest orbital period of any known object in the Solar System of comparable size or larger, [c] calculated at around 11,400 years. [5] [a] Its orbit is extremely eccentric, with an aphelion estimated at 937 AU [5] and a perihelion at about 76 AU. This perihelion was the largest of that of any known Solar System object until the discovery of 2012 VP 113 . [27] [28] At its aphelion, Sedna orbits the Sun at a mere 1.3% of Earth's orbital speed. When Sedna was discovered it was 89.6 AU [29] from the Sun approaching perihelion, and was the most distant object in the Solar System observed. Sedna was later surpassed by Eris, which was detected by the same survey near aphelion at 97 AU. The orbits of some long-period comets extend farther than that of Sedna they are too dim to be discovered except when approaching perihelion in the inner Solar System. Even as Sedna nears its perihelion in mid-2076, [13] [d] the Sun would appear merely as an extremely bright star-like pinpoint in its sky, 100 times brighter than a full moon on Earth (for comparison, the Sun appears from Earth to be roughly 400,000 times brighter than the full Moon), and too far away to be visible as a disc to the naked eye. [30]

When first discovered, Sedna was thought to have an unusually long rotational period (20 to 50 days). [31] It was initially speculated that Sedna's rotation was slowed by the gravitational pull of a large binary companion, similar to Pluto's moon Charon. [21] A search for such a satellite by the Hubble Space Telescope in March 2004 found nothing, [31] [e] and subsequent measurements from the MMT telescope suggest a much shorter rotation period of about 10 hours, more typical for a body of its size. [10]

Sedna has a V-band absolute magnitude (H) of about 1.8, and it is estimated to have an albedo of about 0.32, thus giving it a diameter of approximately 1,000 km. [9] At the time of its discovery it was the intrinsically brightest object found in the Solar System since Pluto in 1930. In 2004, the discoverers placed an upper limit of 1,800 km on its diameter, [33] but by 2007 this was revised downward to less than 1,600 km after observation by the Spitzer Space Telescope. [34] In 2012, measurements from the Herschel Space Observatory suggested that Sedna's diameter was 995 ± 80 km , which would make it smaller than Pluto's moon Charon. [9] Because Sedna has no known moons, determining its mass is currently impossible without sending a space probe. Sedna is currently the largest trans-Neptunian Sun-orbiting object not known to have a satellite. [35] Only a single attempt has been made to find a satellite, [36] [37] and it has been suggested that there is a chance of up to 25% that a satellite could have been missed. [38] [39]

Observations from the SMARTS telescope show that in visible light Sedna is one of the reddest objects in the Solar System, nearly as red as Mars. [21] Chad Trujillo and his colleagues suggest that Sedna's dark red colour is caused by a surface coating of hydrocarbon sludge, or tholin, formed from simpler organic compounds after long exposure to ultraviolet radiation. [40] Its surface is homogeneous in colour and spectrum this may be because Sedna, unlike objects nearer the Sun, is rarely impacted by other bodies, which would expose bright patches of fresh icy material like that on 8405 Asbolus. [40] Sedna and two other very distant objects – 2006 SQ 372 and (87269) 2000 OO 67 – share their color with outer classical Kuiper belt objects and the centaur 5145 Pholus, suggesting a similar region of origin. [41]

Trujillo and colleagues have placed upper limits in Sedna's surface composition of 60% for methane ice and 70% for water ice. [40] The presence of methane further supports the existence of tholins on Sedna's surface, because they are produced by irradiation of methane. [42] Barucci and colleagues compared Sedna's spectrum with that of Triton and detected weak absorption bands belonging to methane and nitrogen ices. From these observations, they suggested the following model of the surface: 24% Triton-type tholins, 7% amorphous carbon, 10% nitrogen ices, 26% methanol, and 33% methane. [43] The detection of methane and water ices was confirmed in 2006 by the Spitzer Space Telescope mid-infrared photometry. [42] The presence of nitrogen on the surface suggests the possibility that, at least for a short time, Sedna may have a tenuous atmosphere. During a 200-year period near perihelion, the maximum temperature on Sedna should exceed 35.6 K (−237.6 °C), the transition temperature between alpha-phase solid N2 and the beta-phase seen on Triton. At 38 K, the N2 vapor pressure would be 14 microbar (1.4 Pa or 0.000014 atm). [43] Its deep red spectral slope is indicative of high concentrations of organic material on its surface, and its weak methane absorption bands indicate that methane on Sedna's surface is ancient, rather than freshly deposited. This means that Sedna is too cold for methane to evaporate from its surface and then fall back as snow, which happens on Triton and probably on Pluto. [42]

Models of internal heating via radioactive decay suggest that Sedna might be capable of supporting a subsurface ocean of liquid water. [44]

In their paper announcing the discovery of Sedna, Mike Brown and his colleagues described it as the first observed body belonging to the Oort cloud, the hypothetical cloud of comets thought to exist nearly a light-year from the Sun. They observed that, unlike scattered disc objects such as Eris, Sedna's perihelion (76 AU) is too distant for it to have been scattered by the gravitational influence of Neptune. [16] Because it is a great deal closer to the Sun than was expected for an Oort cloud object, and has an inclination roughly in line with the planets and the Kuiper belt, they described the planetoid as being an "inner Oort cloud object", situated in the disc reaching from the Kuiper belt to the spherical part of the cloud. [45] [46]

If Sedna formed in its current location, the Sun's original protoplanetary disc must have extended as far as 75 AU into space. [47] Also, Sedna's initial orbit must have been approximately circular, otherwise its formation by the accretion of smaller bodies into a whole would not have been possible, because the large relative velocities between planetesimals would have been too disruptive. Therefore, it must have been tugged into its current eccentric orbit by a gravitational interaction with another body. [48] In their initial paper, Brown, Rabinowitz and colleagues suggested three possible candidates for the perturbing body: an unseen planet beyond the Kuiper belt, a single passing star, or one of the young stars embedded with the Sun in the stellar cluster in which it formed. [16]

Mike Brown and his team favored the hypothesis that Sedna was lifted into its current orbit by a star from the Sun's birth cluster, arguing that Sedna's aphelion of about 1,000 AU, which is relatively close compared to those of long-period comets, is not distant enough to be affected by passing stars at their current distances from the Sun. They propose that Sedna's orbit is best explained by the Sun having formed in an open cluster of several stars that gradually disassociated over time. [16] [49] [50] That hypothesis has also been advanced by both Alessandro Morbidelli and Scott Jay Kenyon. [51] [52] Computer simulations by Julio A. Fernandez and Adrian Brunini suggest that multiple close passes by young stars in such a cluster would pull many objects into Sedna-like orbits. [16] A study by Morbidelli and Levison suggested that the most likely explanation for Sedna's orbit was that it had been perturbed by a close (approximately 800 AU) pass by another star in the first 100 million years or so of the Solar System's existence. [51] [53]

The trans-Neptunian planet hypothesis has been advanced in several forms by a number of astronomers, including Rodney Gomes and Patryk Lykawka. One scenario involves perturbations of Sedna's orbit by a hypothetical planetary-sized body in the Hills cloud. Recent simulations show that Sedna's orbital traits could be explained by perturbations by a Neptune-mass object at 2,000 AU (or less), a Jupiter-mass ( M J) object at 5,000 AU, or even an Earth-mass object at 1,000 AU. [50] [54] Computer simulations by Patryk Lykawka have suggested that Sedna's orbit may have been caused by a body roughly the size of Earth, ejected outward by Neptune early in the Solar System's formation and currently in an elongated orbit between 80 and 170 AU from the Sun. [55] Mike Brown's various sky surveys have not detected any Earth-sized objects out to a distance of about 100 AU. It is possible that such an object may have been scattered out of the Solar System after the formation of the inner Oort cloud. [56]

Caltech researchers Konstantin Batygin and Mike Brown have hypothesised the existence of a giant planet in the outer Solar System, nicknamed Planet Nine. The planet would be about 10 times as massive as Earth. It would have a highly eccentric orbit, and its average distance from the Sun would be about 20 times that of Neptune (which orbits at an average distance of 30.1 astronomical units (4.50 × 10 9 km)). Its orbital period would be 10,000 to 20,000 years. The planet's existence was hypothesised using mathematical modeling and computer simulations, but it has not been observed directly. It may explain the orbits of a group of objects that includes Sedna. [57] [58]

It has been suggested that Sedna's orbit is the result of influence by a large binary companion to the Sun, thousands of AU distant. One such hypothetical companion is Nemesis, a dim companion to the Sun that has been proposed to be responsible for the supposed periodicity of mass extinctions on Earth from cometary impacts, the lunar impact record, and the common orbital elements of a number of long-period comets. [54] [59] No direct evidence of Nemesis has been found, and many lines of evidence (such as crater counts) have thrown its existence into doubt. [60] [61] John J. Matese and Daniel P. Whitmire, longtime proponents of the possibility of a wide binary companion to the Sun, have suggested that an object of 5 M J lying at roughly 7,850 AU from the Sun could produce a body in Sedna's orbit. [62]

Morbidelli and Kenyon have also suggested that Sedna did not originate in the Solar System, but was captured by the Sun from a passing extrasolar planetary system, specifically that of a brown dwarf about 1/20th the mass of the Sun ( M ) [51] [52] [63] or a main-sequence star 80 percent more massive than our Sun, which, owing to its larger mass, may now be a white dwarf. In either case, the stellar encounter had likely occurred early after the Sun's formation, about less than 100 million years after the Sun had formed. [51] [64] [65] Stellar encounters during this time would have minimal effect on the Oort cloud's final mass and population since the Sun had excess material for replenishing the Oort cloud population. [51]

Sedna's highly elliptical orbit means that the probability of its detection was roughly 1 in 80, which suggests that, unless its discovery was a fluke, another 40–120 Sedna-sized objects would exist within the same region. [16] [32] Another object, 2000 CR 105 , has a similar but less extreme orbit: it has a perihelion of 44.3 AU, an aphelion of 394 AU, and an orbital period of 3,240 years. It may have been affected by the same processes as Sedna. [51]

Each of the proposed mechanisms for Sedna's extreme orbit would leave a distinct mark on the structure and dynamics of any wider population. If a trans-Neptunian planet was responsible, all such objects would share roughly the same perihelion (about 80 AU). If Sedna were captured from another planetary system that rotated in the same direction as the Solar System, then all of its population would have orbits on relatively low inclinations and have semi-major axes ranging from 100 to 500 AU. If it rotated in the opposite direction, then two populations would form, one with low and one with high inclinations. The perturbations from passing stars would produce a wide variety of perihelia and inclinations, each dependent on the number and angle of such encounters. [56]

Acquiring a larger sample of such objects would help in determining which scenario is most likely. [66] "I call Sedna a fossil record of the earliest Solar System", said Brown in 2006. "Eventually, when other fossil records are found, Sedna will help tell us how the Sun formed and the number of stars that were close to the Sun when it formed." [17] A 2007–2008 survey by Brown, Rabinowitz and Megan Schwamb attempted to locate another member of Sedna's hypothetical population. Although the survey was sensitive to movement out to 1,000 AU and discovered the likely dwarf planet Gonggong, it detected no new sednoid. [66] Subsequent simulations incorporating the new data suggested about 40 Sedna-sized objects probably exist in this region, with the brightest being about Eris's magnitude (−1.0). [66]

In 2014, Chad Trujillo and Scott Sheppard announced the discovery of 2012 VP 113 , [28] an object half the size of Sedna in a 4,200-year orbit similar to Sedna's and a perihelion within Sedna's range of roughly 80 AU, [67] which led some to speculate that it offered evidence of a trans-Neptunian planet. [68] Another high-perihelion trans-Neptunian object was announced by Sheppard and colleagues in 2018, provisionally designated 2015 TG387 and now named Leleākūhonua. [69] With a perihelion of 65 AU and an even more distant orbit of 40,000 years, its longitude of perihelion (the location where it makes its closest approach to the Sun) appears to be aligned in the directions of both Sedna and 2012 VP113 , strengthening the case for an apparent orbital clustering of trans-Neptunian objects suspected to be influenced by a hypothetical distant planet, dubbed Planet Nine. In a study detailing Sedna's population and Leleākūhonua's orbital dynamics, Sheppard concluded that the discovery implies a population of about 2 million inner Oort Cloud objects larger than 40 km, with a total mass in the range of 1 × 10 22 kg (several times the mass of the asteroid belt and 80% the mass of Pluto). [70]

The Minor Planet Center, which officially catalogs the objects in the Solar System, classifies Sedna as a scattered object. [71] This grouping is heavily questioned, and many astronomers have suggested that it, together with a few other objects (e.g. 2000 CR 105 ), be placed in a new category of distant objects named extended scattered disc objects (E-SDO), [72] detached objects, [73] distant detached objects (DDO), [54] or scattered-extended in the formal classification by the Deep Ecliptic Survey. [74]

The discovery of Sedna resurrected the question of which astronomical objects should be considered planets and which should not. On 15 March 2004, articles on Sedna in the popular press reported that a tenth planet had been discovered. This question was answered under the International Astronomical Union definition of a planet, adopted on 24 August 2006, which mandated that a planet must have cleared the neighborhood around its orbit. Sedna has a Stern–Levison parameter estimated to be much less than 1, [f] and therefore cannot be considered to have cleared the neighborhood, even though no other objects have yet been discovered in its vicinity. To be a dwarf planet, Sedna must be in hydrostatic equilibrium. It is bright enough, and therefore large enough, that this is expected to be the case, [76] and several astronomers have called it one. [77] [78] [79] [80] [81]

Sedna will come to perihelion around July 2076. [8] [d] This close approach to the Sun provides an opportunity for study that will not occur again for 12,000 years. Although Sedna is listed on NASA's Solar System exploration website, [82] NASA is not known to be considering any type of mission at this time. [83] It was calculated that a flyby mission to Sedna could take 24.48 years using a Jupiter gravity assist, based on launch dates of 6 May 2033 or 23 June 2046. Sedna would be 77.27 or 76.43 AU from the Sun when the spacecraft arrived near the end of 2057 or 2073, respectively. [84]

In May 2018, astrophysicist Ethan Siegel publicly advocated for a space probe mission to study Sedna as it approaches perihelion. Siegel characterized Sedna as an attractive target due to its status as a possible inner Oort cloud object. Because of Sedna's long orbital period, "we will not get the opportunity to study it this close to the Sun for many millennia again." [85] Such a mission could be facilitated by Dual-Stage 4-Grid ion thrusters that might cut cruise times considerably if powered, for example, by a fusion reactor. [86]


Orbits of the Planets

Today, Newton&rsquos work enables us to calculate and predict the orbits of the planets with marvelous precision. We know eight planets, beginning with Mercury closest to the Sun and extending outward to Neptune. The average orbital data for the planets are summarized in Table (PageIndex<1>). (Ceres is the largest of the asteroids, now considered a dwarf planet.)

According to Kepler&rsquos laws, Mercury must have the shortest orbital period (88 Earth-days) thus, it has the highest orbital speed, averaging 48 kilometers per second. At the opposite extreme, Neptune has a period of 165 years and an average orbital speed of just 5 kilometers per second.

Table (PageIndex<1>): Orbital Data for the Planets
Planet Große Halbachse (AU) Zeitraum (j) Exzentrizität
Merkur 0.39 0.24 0.21
Venus 0.72 0.6 0.01
Erde 1 1.00 0.02
Mars 1.52 1.88 0.09
(Ceres) 2.77 4.6 0.08
Jupiter 5.20 11.86 0.05
Saturn 9.54 29.46 0.06
Uranus 19.19 84.01 0.05
Neptun 30.06 164.82 0.01

All the planets have orbits of rather low eccentricity. The most eccentric orbit is that of Mercury (0.21) the rest have eccentricities smaller than 0.1. It is fortunate that among the rest, Mars has an eccentricity greater than that of many of the other planets. Otherwise the pre-telescopic observations of Brahe would not have been sufficient for Kepler to deduce that its orbit had the shape of an ellipse rather than a circle.

The planetary orbits are also confined close to a common plane, which is near the plane of Earth&rsquos orbit (called the ecliptic). The strange orbit of the dwarf planet Pluto is inclined about 17° to the ecliptic, and that of the dwarf planet Eris (orbiting even farther away from the Sun than Pluto) by 44°, but all the major planets lie within 10° of the common plane of the solar system.

You can use an orbital simulator to design your own mini solar system with up to four bodies. Adjust masses, velocities, and positions of the planets, and see what happens to their orbits as a result.


Galactic context

The Solar System is located in the Milky Way, a barred spiral galaxy with a diameter of about 100,000 light-years containing about 100 billion stars. [130] The Sun resides in one of the Milky Way's outer spiral arms, known as the Orion&ndashCygnus Arm or Local Spur. [131] The Sun lies between 25,000 and 28,000 light-years from the Galactic Centre, [132] and its speed within the Milky Way is about 220 km/s, so that it completes one revolution every 225&ndash250 million years. This revolution is known as the Solar System's galactic year. [133] The solar apex, the direction of the Sun's path through interstellar space, is near the constellation Hercules in the direction of the current location of the bright star Vega. [134] The plane of the ecliptic lies at an angle of about 60° to the galactic plane. [i]

The Solar System's location in the Milky Way is a factor in the evolutionary history of life on Earth. Its orbit is close to circular, and orbits near the Sun are at roughly the same speed as that of the spiral arms. [136] [137] Therefore, the Sun passes through arms only rarely. Because spiral arms are home to a far larger concentration of supernovae, gravitational instabilities, and radiation that could disrupt the Solar System, this has given Earth long periods of stability for life to evolve. [136] The Solar System also lies well outside the star-crowded environs of the galactic centre. Near the centre, gravitational tugs from nearby stars could perturb bodies in the Oort cloud and send many comets into the inner Solar System, producing collisions with potentially catastrophic implications for life on Earth. The intense radiation of the galactic centre could also interfere with the development of complex life. [136] Even at the Solar System's current location, some scientists have speculated that recent supernovae may have adversely affected life in the last 35,000 years, by flinging pieces of expelled stellar core towards the Sun, as radioactive dust grains and larger, comet-like bodies. [138]

Neighbourhood

The Solar System is in the Local Interstellar Cloud or Local Fluff. It is thought to be near the neighbouring G-Cloud but it is not known if the Solar System is embedded in the Local Interstellar Cloud, or if it is in the region where the Local Interstellar Cloud and G-Cloud are interacting. [139] [140] The Local Interstellar Cloud is an area of denser cloud in an otherwise sparse region known as the Local Bubble, an hourglass-shaped cavity in the interstellar medium roughly 300 light-years (ly) across. The bubble is suffused with high-temperature plasma, that suggests it is the product of several recent supernovae. [141]

There are relatively few stars within ten light-years of the Sun. The closest is the triple star system Alpha Centauri, which is about 4.4 light-years away. Alpha Centauri A and B are a closely tied pair of Sun-like stars, whereas the small red dwarf, Proxima Centauri, orbits the pair at a distance of 0.2 light-year. In 2016, a potentially habitable exoplanet was confirmed to be orbiting Proxima Centauri, called Proxima Centauri b, the closest confirmed exoplanet to the Sun. [142] The stars next closest to the Sun are the red dwarfs Barnard's Star (at 5.9 ly), Wolf 359 (7.8 ly), and Lalande 21185 (8.3 ly).

The largest nearby star is Sirius, a bright main-sequence star roughly 8.6 light-years away and roughly twice the Sun's mass and that is orbited by a white dwarf, Sirius B. The nearest brown dwarfs are the binary Luhman 16 system at 6.6 light-years. Other systems within ten light-years are the binary red-dwarf system Luyten 726-8 (8.7 ly) and the solitary red dwarf Ross 154 (9.7 ly). [143] The closest solitary Sun-like star to the Solar System is Tau Ceti at 11.9 light-years. It has roughly 80% of the Sun's mass but only 60% of its luminosity. [144] The closest known free-floating planetary-mass object to the Sun is WISE 0855&minus0714, [145] an object with a mass less than 10 Jupiter masses roughly 7 light-years away.

Comparison with extrasolar systems

Compared to other planetary systems the Solar System stands out in lacking planets interior to the orbit of Mercury. [146] [147] The known Solar System also lacks super-Earths (Planet Nine could be a super-Earth beyond the known Solar System). [146] Uncommonly, it has only small rocky planets and large gas giants elsewhere planets of intermediate size are typical&mdashboth rocky and gas&mdashso there is no "gap" as seen between the size of Earth and of Neptune (with a radius 3.8 times as large). Also, these super-Earths have closer orbits than Mercury. [146] This led to hypothesis that all planetary systems start with many close-in planets, and that typically a sequence of their collisions causes consolidation of mass into few larger planets, but in case of the Solar System the collisions caused their destruction and ejection. [148] [149]

The orbits of Solar System planets are nearly circular. Compared to other systems, they have smaller orbital eccentricity. [146] Although there are attempts to explain it partly with a bias in the radial-velocity detection method and partly with long interactions of a quite high number of planets, the exact causes remain undetermined. [146] [150]


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