Der Zwergplanet Ceres wurde in der kältesten Zone des Sonnensystems gebildet und in den Asteroidengürtel gestoßen

Newswise – In einem Artikel veröffentlicht In der Zeitung Ikarusberichten Forscher der São Paulo State University (UNESP) und Mitarbeiter über die Ergebnisse einer Studie, die die Entstehung des Zwergplaneten Ceres rekonstruiert.

Die Untersuchung wurde durchgeführt von Rafael Ribeiro de Sousa, Professor im Graduiertenprogramm für Physik auf dem Campus von Guaratingueta. Die Co-Autoren des Artikels sind Ernesto Vieira Netoder Betreuer der Doktorarbeit von Ribeiro de Sousa war, und Forscher, die mit der Côte d’Azur University in Frankreich, der Rice University in den Vereinigten Staaten und dem National Observatory in Rio de Janeiro verbunden sind.

Ceres ist das größte Objekt im Asteroidengürtel, einer Ansammlung von Himmelskörpern, die sich zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter befindet. Er ist ungefähr kugelförmig und umfasst ein Drittel der Gesamtmasse des Asteroidengürtels, mit einem Durchmesser von fast 1.000 km, weniger als ein Drittel der des Mondes.

Seine Umlaufbahn um die Sonne ist fast perfekt kreisförmig, mit einer Exzentrizität von 0,09 und einer Neigung von 9,73° zur unveränderlichen Ebene des Sonnensystems, viel größer als die der Erde, die 1,57° beträgt.

Ceres hat zu wenig Masse, um durch Gravitationsanziehung eine Atmosphäre aufrechtzuerhalten, aber das Sonnenlicht verdunstet das Ammoniak und das Wassereis unter seiner Oberfläche und bildet einen Nebel, der sich in den Weltraum ausbreitet. Eisglanz lagert sich hell am Grund seiner Krater ab. Die Möglichkeit primitiver Lebensformen wurde nicht ausgeschlossen. Die Krater wurden von der NASA 2007-18 kartiert Dawn-Mission, der Vesta, den zweitgrößten Körper im Asteroidengürtel, sowie Ceres umkreiste. Ein sehr interessantes Video des Occator-Kraters, das mit Daten der Raumsonde Dawn erstellt wurde, kann auf der Website der Mission angesehen werden.

Der Kern des Zwergplaneten besteht wahrscheinlich aus schwerer Materie – Eisen und Silikaten – aber was ihn von Objekten in der Nähe unterscheidet, ist sein Mantel aus Ammoniak und Wassereis. Die meisten Körper im Asteroidengürtel haben kein Ammoniak, daher ist die Hypothese, dass Ceres außerhalb davon gebildet wurde, in der kälteren Region jenseits der Jupiterbahn, und dann durch die enorme gravitative Instabilität, die durch die Bildung von verursacht wurde, in die Mitte des Asteroidengürtels gestoßen wurde Gasriesen Jupiter und Saturn.

„Das Vorhandensein von Ammoniakeis ist ein starker Beobachtungsbeweis dafür, dass Ceres möglicherweise in der kältesten Region des Sonnensystems jenseits der Frostgrenze entstanden ist, bei Temperaturen, die niedrig genug sind, um Kondensation und Verschmelzung von Wasser und flüchtigen Substanzen wie Kohlenmonoxid zu verursachen [CO]Kohlendioxid [CO2] und Ammoniak [NH3]“, sagte Ribeiro de Sousa.

Die Frostlinie befindet sich jetzt sehr nahe an Jupiters Umlaufbahn, aber als das Sonnensystem vor 4,5 Milliarden Jahren entstand, veränderte sich die Position dieser Zone entsprechend der Entwicklung der protoplanetaren Gasscheibe und der Entstehung der Riesenplaneten. „Die intensive Gravitationsstörung, die durch das Wachstum dieser Planeten verursacht wird, könnte die Dichte, den Druck und die Temperatur der protoplanetaren Scheibe verändert und die Frostlinie verschoben haben. Diese Störung in der protoplanetaren Gasscheibe könnte dazu geführt haben, dass die expandierenden Planeten in Umlaufbahnen näher an der Sonne wanderten, als sie Gas und Feststoffe annahmen“, sagte Vieira Neto.

„In unserem Artikel schlagen wir ein Szenario vor, um zu erklären, warum sich Ceres so sehr von benachbarten Asteroiden unterscheidet. In diesem Szenario begann sich Ceres in einer Umlaufbahn weit hinter Saturn zu bilden, wo Ammoniak reichlich vorhanden war. Während der Wachstumsphase des Riesenplaneten wurde er als Migrant aus dem äußeren Sonnensystem in den Asteroidengürtel gezogen und hat bis jetzt 4,5 Milliarden Jahre überlebt“, sagte Ribeiro de Sousa.

Um die Hypothese zu testen, führten Ribeiro de Sousa und Mitarbeiter eine große Anzahl von Computersimulationen der Bildung von Riesenplaneten innerhalb der protoplanetaren Gasscheibe durch, die die Sonne umgab. In ihrem Modell enthielt die Scheibe Jupiter, Saturn, embryonale Planeten (Vorläufer von Uranus und Neptun) und eine Sammlung von Objekten, die Ceres in Größe und chemischer Zusammensetzung ähneln. Die Annahme war, dass Ceres ein Planetesimal war, einer aus einer Klasse von Körpern, von denen angenommen wurde, dass sie Bausteine ​​von Planeten, Asteroiden und Kometen waren.

„Unsere Simulationen zeigten, dass die Entstehungsphase der Riesenplaneten sehr turbulent war, mit gewaltigen Kollisionen zwischen den Vorläufern von Uranus und Neptun, dem Herausschleudern von Planeten aus dem Sonnensystem und sogar der Invasion der inneren Region durch Planeten mit mehr als der dreifachen Masse der Erde Masse. Außerdem verstreute die starke Gravitationsstörung Ceres-ähnliche Objekte überall. Einige haben möglicherweise die Region des Asteroidengürtels erreicht und stabile Umlaufbahnen erlangt, die in der Lage sind, andere Ereignisse zu überleben“, sagte Ribeiro de Sousa.

Drei Hauptmechanismen wirkten, um diese Objekte in der Region zu halten, fügte er hinzu: die Wirkung von Gas, das ihre orbitalen Exzentrizitäten und Neigungen glättete; bedeuten Bewegungsresonanzen mit Jupiter und schützen sie vor Auswürfen und Kollisionen, die von diesem riesigen Planeten verursacht werden; und enge Begegnungen mit Eindringlingsplaneten, die Planetesimale in stabilere innere Regionen des Asteroidengürtels streuen.

„Unsere wichtigste Erkenntnis war, dass es in der Vergangenheit mindestens 3.600 Ceres-ähnliche Objekte außerhalb der Umlaufbahn des Saturn gab. Mit dieser Anzahl von Objekten zeigte unser Modell, dass eines von ihnen in den Asteroidengürtel transportiert und eingefangen worden sein könnte, in einer Umlaufbahn, die der aktuellen Umlaufbahn von Ceres sehr ähnlich ist“, sagte er.

Andere Forschungsgruppen hatten diese Anzahl von Ceres-ähnlichen Objekten bereits geschätzt, basierend auf der Beobachtung von Kratern und der Größe anderer Populationen von Himmelskörpern jenseits des Saturn, wie etwa der des Kuipergürtels, wo Pluto und andere kleine Planeten kreisen. „Unser Szenario ermöglichte es uns, die Zahl zu bestätigen und die orbitalen und chemischen Eigenschaften von Ceres zu erklären. Die Studie bestätigt erneut die Genauigkeit der neuesten Modelle zur Entstehung des Sonnensystems“, sagte er.

Wie die Planeten entstanden

Ein Szenario der Planetenentstehung im Sonnensystem, das auf den neuesten verfügbaren Informationen basiert, hilft beim Verständnis der Studie, indem es Ceres in den Gesamtprozess einordnet.

„Aus Beobachtungen wissen wir, dass jedes Planetensystem, nicht nur unser eigenes Sonnensystem, aus einer Scheibe aus Gas und Staub besteht, die einen neugeborenen Stern umgibt. Ereignisse, die Sterne bilden, sind noch immer kaum verstanden, aber bisher besteht Konsens darüber, dass Sterne aus dem Gravitationskollaps einer riesigen Molekülwolke entstehen“, sagte Ribeiro de Sousa.

Die Existenz protoplanetarer Scheiben ist keine bloße Vermutung. Im Gegenteil, es gab robuste Beobachtungen, wie Bilder, die von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) mit dem 66-Antennen-Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile aufgenommen wurden, mit beeindruckend hoher Auflösung und einer Fülle von Details, die protoplanetar zeigen Scheiben um sehr junge Sterne.

„Im Fall des Sonnensystems deuten die uns vorliegenden Daten darauf hin, dass die protoplanetare Scheibe zu 99 % aus Gas und zu 1 % aus Staub bestand. Der Staub stammte wahrscheinlich von älteren Sternen, die ihren Lebenszyklus beendet hatten und schwere Materie in den Weltraum schleuderten“, erklärte Ribeiro de Sousa. „Der Staub, der sich um die Sonne angesammelt hat, reichte aus, um zumindest die kleineren Körper, die terrestrischen Planeten und die Kerne der Gasriesen zu bilden. Die ersten Feststoffe, die in der protoplanetaren Scheibe kondensierten, waren Kalzium-Aluminium-Einschlüsse (CAIs), die in Meteoriten gefunden wurden und bis vor 4,568 Milliarden Jahren datiert wurden.“

Mehrere junge Sterne wurden in Umgebungen beobachtet, die als Planetenkindergärten bezeichnet werden, und wurden auf ein Alter zwischen 1 und 10 Millionen Jahren datiert. Dies ist eine wichtige Information, da sie zeigt, dass die Bildung von Gasplaneten wie Jupiter oder Saturn oder von Planeten mit einer Gashülle wie Uranus und Neptun höchstens innerhalb der ersten 10 Millionen Jahre des Lebens eines Sterns stattfinden sollte. Danach haben protoplanetare Scheiben nicht mehr genug Gas.

Gesteinsplaneten des terrestrischen Typs könnten früher oder später entstehen. Niemand weiß es, aber andere verfügbare Informationen zeigen, dass die Entstehung von Erde und Mond eines der jüngsten Ereignisse in der Entstehung des Sonnensystems war und vor 4,543 Milliarden Jahren stattfand. Die kleineren Körper im System (Zwergplaneten, Satelliten, Kometen, Asteroiden, Staub usw.) sind die Überreste der Planetenentstehung und haben sich vor und nach der Gasphase durch Prozesse wie Wechselwirkung mit Gas, Kollision und physikalisch und dynamisch entwickelt Gravitationserfassung.

Der Prozess der Planetenbildung ist komplex und umfasst Stadien, die von Staub mit einer Partikelgröße von nur einem Mikrometer (10−6 m) zu Planeten, die um ein Vielfaches größer sind als Jupiter. „Staub sammelt sich durch Adhäsionen und Kollisionen im Inneren der protoplanetaren Scheibe an. Die Gravitationsanziehung zwischen Partikeln ist nicht relevant, aber die Gravitationskraft der Sonne lässt Gas langsamer rotieren als Staub, und dies erzeugt einen sehr starken aerodynamischen Widerstand auf den Staub, der die Partikel in die Ebene der Gasscheibe fegt und sie radial in Richtung treibt Sonne. Wenn der Staub eine Größe von wenigen Zentimetern erreicht, bildet er Kieselsteine, die den Prozess des Planetenwachstums entscheidend beeinflussen, weil sie die Rotationsgeschwindigkeit des Gases beeinflussen. Wenn die Geschwindigkeiten von Gas und Kieselsteinen gleich werden, verschwindet der Gaswiderstand praktisch und gibt den Kieselsteinen die Möglichkeit, sich ausreichend anzusammeln, um Planetesimale entstehen zu lassen – Körper mit einer Größe von 10 km bis 1.000 km. Dies sind die Bausteine ​​von Planeten und Vorläufer kleiner Körper“, sagte Ribeiro de Sousa.

In der nächsten Stufe entstehen immer größere Objekte durch gravitatives Einfangen von Kieselsteinen und Staub oder durch Kollisionen. Wenn ein Objekt groß genug wird, um die Masse von drei bis zehn Erden zu haben, lässt es die Gravitationsstörung, die es in der Gasscheibe erzeugt, in eine Umlaufbahn wandern, die näher am Stern liegt. Wenn es größer als zehn Erden wird, beginnt es, eine Gashülle zu bilden, und die Ansammlung von Gas macht sein Wachstum sehr schnell.

„Die Bildung der Riesenplaneten Jupiter und Saturn erzeugte eine so große Gravitationsstörung, dass sie die Gasscheibe nachbildete und eine neue Art von Planetenwanderung auslöste. Dieses heftige Stadium ließ Planeten kollidieren und Planeten aus dem Sonnensystem herausschleudern, bis das Gravitationsgleichgewicht es dem System als Ganzes ermöglichte, ein gewisses Maß an Stabilität zu erlangen“, schloss Ribeiro de Sousa.

Die Studie wurde von FAPESP finanziert über a Promotionsstipendium und ein Stipendium für a Forschungspraktikum im Ausland an Ribeiro de Sousa verliehen und über das thematische Projekt Zur Bedeutung kleiner Körper in der Orbitaldynamik.

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