Opgave 3

Astronomi 3: Planetsystemer og stjernedannelse J. Mortensen
Opgave 3
1
Fra mængden af radioaktive kilder i blandt andet meteoritter og materiale fra bemandede missioner til
M˚anen, er Solsystemets alder ud fra disse kilders henfaldstider blevet bestemt til mindst 4,56 milliarder
˚ar. Solen og planeterne blev dannet af kemisk beriget interstellart materiale fra tidligere generationer
af stjerner, der ved fusion i deres kerner eller som supernovaer dannede alle grundstoffer tungere end
hydrogen og helium.
Der er bred enighed om, at Solsystemet blev dannet ved, at dette materiale, der til at begynde med
udgjorde en langsomt roterende, sfæriske sky, under gravitationel sammentrækning udviklede sig til en
skive af stadigt hurtigere roterende materiale med en større kondensation i midten, hvor det meste af
skyens materiale blev ophobet og siden, under stadig større sammentrækning, dannede dén proto-Sol,
der senere blev til en stabil stjerne i hydrostatisk ligevægt.
Resten af det interstellare materiale formede en stadig tyndere skive, der ved sammentrækningen
øgede sin rotationsfart som konsekvens af bevarelsen af impulsmomentet. Alle de kendte planeter om
Solen blev dannet af enne skive, hvilket forklarer, hvorfor de bevæger sig i samme retning omkring Solen
og i stort set samme plan.
Tættest p˚a den tidlige Sol blev de terrestiske planeter dannet, først som s˚akaldt proto-planeter, der
sandynsligvis var af større antal, end hvad vi ser idag. Efterh˚anden blev de idag kendte, indre planeter
dannet ved en fortsat samling og omformning af materialet, indtil de dominerede deres baner omkring
Solen.
De fjernere og langt større jovianske planeter kan forklares ud fra to teorier. Fælles for dem er, at
temperaturen længere ude i det tidlige s˚a vel som det nutidige solsystem tillader tilstedeværelsen og
kondensation/ophobning af skivens langt rigere mængde af gasser som hydrogen og helium. Én teori
forklarer de store gaskæmper ved, at gassen til at begynde med hobede sig op p˚a samme m˚ade som
den tidlige Sol, hvorefter støv og større legemer i deres baner efterh˚anden faldt ind i dem for derp˚a at
udgøre planeternes kerner. Ifølge den anden teori skete det i omvendt rækkefølge: stadig større klumper
af gravitationelt sammenbundet klippe-materiale tiltrak større mængder af den tilstedeværende gas, og
over et tilsvarende tidsrum blev gasplaneterne s˚a dannet med deres solide eller liquide kerner.
Mellem den inderste af gaskæmperne, Jupiter, og den yderste af de terrestiske, Mars, dannede der sig
dét, vi idag kalder Asteroidebæltet; et bælte af større stykker klippe-materiale, der ikke har kunnet samle
sig til en planet (i følge den nedenfor givne definition). Kuiperbæltets og Oort-skyens ophav beskriver jeg
ogs˚a nedenfor.
2
Som indikeret ovenfor, var betingelserne for dannelse af gasplaneter ikke tilstede i det tidlige Solsystem,
hvorfor planeterne dannet i det indre Solsystem best˚ar hovedsagligt af tungere grundstoffer end hydrogen
og helium, p˚a trods af disse grundstoffers dominans i universet.
3
Jupiter har vist sig at udstr˚ale omkring det dobbelte af, hvad planeten modtager af energi i form af
str˚aling fra Solen. Forklaringen p˚a dette søges i den termiske energi, som gassen i planeten akummulerede
fra ændringen af gassens gravitationelle potentiale under planetens dannelse i det tidlige solsystem. At
Jupiter stadig kan udstr˚ale s˚a store mængder energi idag skyldes planetens størrelse og derfor betydelige
mængde af termisk energi.
Saturn udstr˚aler 25 % mere energi per masse af det str˚ale-afgivende materiale, end Jupiter. Dette
søges forklaret i dét faktum, at helium i de øverste atmosfærelag i Saturn ‘regner’ ind mod planetens
centrum, hvilket giver anledning til varme-dannende friktion med den omgivne gas. Udstr˚aling af denne
varme forklarer den større relative energi-udstr˚aling i forhold til Jupiter.
Solsystemet *1

Astronomi 3: Planetsystemer og stjernedannelse J. Mortensen
4
Der er til dato fundet 342 planeter i omløb om andre stjerner end Solen. 1 Metoder til opdagelse af
disse exoplaneter er blandt andre ved hjælp af astrometri, hvor præcise m˚alinger af en stjernes position
i forhold til fjernere-liggende baggrundsstjerner kan afsløre tilstedeværelsen af et massivt objekt i omløb
om stjernen, der f˚ar stjernen til at bevæge sig cyklisk i forhold til baggrundsstjernerne. Denne bevægelse
omkring systemets fælles masse-midtpunkt kan ogs˚a detekteres som doppler-forskydning af en stjernes
(eller pulsars) spektral-linier mod skiftevis den bl˚a og røde del af spektrummet.
En anden metode er ved at se p˚a variationer i stjernens lyskurve, hvor en midlertidig flux-reduktion
opst˚ar, hvis en exoplanet bevæger sig ind foran stjernen og skygger for noget af stjernens lys. En tredie
metode er anvendelse af stadig bedre teleskop-teknik til ved hjælp af s˚akaldte gravitationelle linser at
finde exoplaneter, der ligner Jorden i størrelse og livbetingelser. Desuden kan skiver af støv detekteres
ved deres infrarøde str˚aling, der dannes, n˚ar støvet opvarmes af stjernen.
5
P˚a Jorden var der til at begynde med varmt nok til, at vand fandtes p˚a gas-form. Men som planeten
afkøledes blev vandet fortættet til væskeform, hvilket øgede afkølingsprocessen, da atmosfæren ikke længere
indholdt lige s˚a meget vanddamp og dermed havde en lavere drivhuseffekt. Under stadig bombardement
af meteroitter samt den tidlige, vulkanske aktivitet fik atmosfæren efterh˚anden tilføjet CO 2 ,
hvorved Jorden igen blev opvarmet. Vand kunne igen fordampe, og i forskellige kemiske reaktioner med
CO 2 blev disse stoffer igen ophobet i have og klippe-sedimenter.
Venus befinder sig tættere p˚a Solen, og vand fordampede helt væk fra planetens overflade, hvorfor
det dannede CO 2 ikke kunne indg˚a i samme processer som p˚a Jorden. Derfor er planeten idag fortsat
under indflydelse af denne drihusgas, hvorfor overfladetemperaturen ligger p˚a lidt under 800 K.
P˚a Mars betød en koldere overfladetemperatur, at b˚ade vand og CO 2 forblev i form af is, ved polerne
og generelt under planetens overflade.
6
En komets hovede best˚ar af en solid kerne af is og støv p˚a nogle f˚a km i diamater. Kommer kometen tæt
nok p˚a Solen i sin elliptiske bane, sublimerer de yderste lag p˚a grund af Solens varme, og der dannes
en diffus, sfærisk sky af lysende gasser og løsrevet støv omkring kernen, den s˚akaldte koma, der typisk
er omkring 1 mio km i diameter. En endnu større sky af hydrogen (kun synlig med UV filter) med en
diameter p˚a 10 mio km bliver ogs˚a dannet.
Str˚alingstrykket fra Solens fotoner (solvinden) blæser støvet og gasserne radiært væk fra Solen. Solvinden
yder størst tryk p˚a de ioniserede atomer og molekyler, der udgør gassen, og den s˚akaldte ion-hale,
de danner, kan blive mere end 100 mio km lang. Dens karakteristiske bl˚a farve skyldes de carbon-holdige
ioner (CN og C 2 eksempelvis).
Den anden hale, der dannes, best˚ar af de løsrevne støvkorn og bliver som regel kun omkring 10 mio
km. Solvinden har sværere ved at blæse støvkornene bort fra Solen, og halen fremst˚ar derfor svagt bøjet
i forhold til ion-halen.
7
Kuiperbæltet og Oort-skyen har begge de isrige, potentielle kometer til fælles. Kuiperbæltet ligger stort
set i samme plan som planeterne og begynder ude ved Pluto ∼ 40 AU fra Jorden og fortsætter ud til
∼ 500 AU. Bæltet blev sandsynligvis dannet i samme afstand, som vi ser det idag. Kometer, der menes at
stamme fra dette bælte, ligger ogs˚a i planetbanernes plan.
Oort-skyen, derimod, er en sfærisk distribution af samme type legemer, der formodes at ligge omkring
50 000 AU fra Solen. Kometer herfra har lange omløbstider og stærkt excentriske baner, hvis plan
1 Extrasolar Planets Encyclopaedia, feb. 2009.
Solsystemet *2

Astronomi 3: Planetsystemer og stjernedannelse J. Mortensen
ofte hælder drastisk i forhold til ekliptika. Skyen menes at være dannet tidligt i Solsystemets historie i
nærheden af de jovanske planeter, hvis tyngdekraft har assisteret dem alle ud i deres nuværende baner.
8
Spørgsm˚alet om, hvorvidt der har været liv p˚a Mars, er et meget relevant og eksistentielt set betydningsfuldt
spørgsm˚al. Det er oplagt at diskutere flere teorier i denne opgave, men selvom jeg begrænser det til
et spørgsm˚al om, hvorvidt der har eksisteret liv svarende til dét, vi mener at kende til her p˚a Jorden, s˚a
er der ikke noget videnskabeligt etableret faktum, der kan tillade mig at konkludere, at der har eksisteret
eller for den sags skyld stadig eksisterer liv p˚a planeten, før jeg véd mere.
9
Solvinden udgøres af Solens fotoner og materiale best˚aende af ladede partikler, hvis termiske energi er
høj nok til at de kan undslippe Solens overflade med hastigheder p˚a flere millioner km/h. Disse ladede
partikler udgøres hovedsagligt elektroner, men best˚ar ogs˚a af hydrogen- og heliumkerner og relativt f˚a
andre, mere massive ioner.
Solvindens effekt p˚a de indre planeter i Solsystemet afhænger af styrken af deres magnetfelt. Jordens
magnetfelt er kraftigt nok til at afbøje solvinden, s˚a den ikke n˚ar Jordens overflade. Alligevel samles partiklerne
fra solvinden ofte i den s˚akaldte magnetosfære, hovedsagligt ved polerne og i de torus-formede
Van Allen-bælter omkring Jordens Ækvator.
Venus har ikke noget magnetfelt og dens atmosfære bliver derfor stille og roligt blæst væk af solvinden
p˚a en m˚ade analogt med halerne p˚a en komet i nærheden af Solen.
Merkur har et svagt magnetfelt i forhold til Jordens (∼ 1 % af denne) og kan derfor ikke afbøje
solvinden i lige s˚a stor grad som Jordens magnetfelt. planeten kan derfor ikke danne bælter af ladede
partikler omkring Ækvator som det er tilfældet med Jorden.
10
Meteoritter er stykker af asteroider (eksempelvis rester fra sammenstød), der ‘overlever’ en tur gennem
Jordens atmosfære uden at brænde helt op. Asteroider er store klippestykker af samme materiale, som
de terrestiske planeter og mulige kerner i gasplaneterne blev dannet af. Henfald af radioaktive isotoper
(eksempelvis 26 Al) kan have opvarmet de større asteroider (mere end nogle hundrede km i diameter)
over længere perioder, hvorved de tungere dele af asteroiden (s˚a som jern) har samlet sig i midten, mens
lettere (klippe-)materiale er endt p˚a overfladen.
Denne kemiske differentiering forklarer de forskellige typer meteoritters ophav, idét de siger noget om,
hvilken type asteriode, meteoritten tidligere var en del af. De fleste meteoritter, kaldet sten-meteoritter,
best˚ar blot af klippemateriale, hvis ydre lag er smeltet p˚a vej gennem atmosfæren. Jern-meteoritter stammer
fra kernen af disse kemisk differentierede asteroider og udgør ca. fire gange flere af de fundne meteoritter,
end den sidste type i denne (grove) opdeling: sten/jern-meteoritter, der best˚ar af nogenlunde lige
dele jern- og sten-materiale.
11
En terrestisk planet er en solid planet af høj stof-tæthed, der best˚ar hovedsagligt af tungere grundstoffer
som jern og silicater.
En gasplanet har en lav stof-tæthed og er markant større end terrestiske planeter. De best˚ar hovedsagligt
af hydrogen og helium med en flydende eller solid kerne.
En iskæmper og -dværge er betegnelser p˚a nogle af de fjerneste planet-typer i planetsystemet. Iskæmpe
bruges om de ydre gasplaneter, der har et relativt lavere indhold af hydrogen/helium, end Jupiter og
Saturn. Isdværge er trans-neptunske objekter, der hovedsagligt best˚ar af forskellige is-typer.
Solsystemet *3

Astronomi 3: Planetsystemer og stjernedannelse J. Mortensen
Sm˚aplanet er en noget tvetydig betegnelse, der tilsyneladende har været og bliver mest brugt om
(større) objekter i asteroide-bæltet. Asteroide-bæltet best˚ar af adskillige objekter best˚aende af klippemateriale
og tungere grundstoffer i et bælte omkring Solen, mellem Jupiter og Mars.
Kategorien dværgplanet er forholdsvis ny og er af IAU defineret som et legeme med stor nok egengravitation
til at forme sig som en kugle, men ikke nok til at kunne rydde sin bane for andet materiale.
Solsystemets kendte planeter (set fra Solen): Merkur, Venus, Mars, Jorden, Jupiter, Saturn, Uranus,
Neptun. Solsystemets kendte dværgplaneter: Ceres, Pluto, Makemake, Eris, Haumea.
Solsystemet *4