Astronomie

Comment le système solaire a-t-il obtenu son moment cinétique ? Pourquoi la Terre n'est-elle pas tombée dans le Soleil au début ?

Comment le système solaire a-t-il obtenu son moment cinétique ? Pourquoi la Terre n'est-elle pas tombée dans le Soleil au début ?


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Je sais que la Terre tombe toujours vers le Soleil, mais en raison de son élan latéral, elle manque toujours. Mais comment tout a commencé? Pour entrer dans les détails, lorsque le nuage de gaz à moment angulaire nul est entré en collision, notre système solaire était composé de planètes et de soleil ayant leur propre moment angulaire qui les fait tourner. Mais comment la révolution a-t-elle commencé au début ? Étaient-ils placés dans une position et une distance telles qu'ils ont commencé à s'attirer mais comment ? .Ils n'avaient qu'une rotation. Mais une révolution a commencé qui les a obligés à suivre un chemin elliptique alors comment cela s'est-il passé au début ? Une force extérieure a-t-elle agi sur eux et la révolution a-t-elle commencé ? Comment cette révolution a-t-elle commencé ?

J'ai supposé que le nuage de poussière avait un moment angulaire nul, mais il peut avoir n'importe quelle valeur qui n'affecte pas la question, je pense ?


Le moment angulaire d'une particule autour d'un point est la masse de la particule multipliée par sa distance par rapport au point multipliée par sa vitesse autour du point. Ainsi, une petite vitesse à une grande distance peut toujours signifier beaucoup de moment angulaire.

Le morceau d'un nuage moléculaire géant qui s'effondre pour former un système solaire est généralement de l'ordre d'une année-lumière ou un peu moins. Il possède normalement un moment angulaire - juste à partir de mouvements aléatoires si rien d'autre.

Lorsqu'il s'effondre pour former un système solaire, sa taille passe d'une année-lumière à peut-être 10 à 100 UA. Une année-lumière correspond à environ 60 000 UA (unités astronomiques), elle s'effondre donc à environ 1/1000 la taille. Pour conserver le moment cinétique, la vitesse circulaire de la matière doit augmenter par un facteur de mille. Et la fraction de la matière qui formera l'étoile s'effondre en une autre facteur de mille ou plus.

Non seulement cela vous donne beaucoup de vitesse, mais pour que l'étoile se forme, elle doit en fait hangar moment angulaire.

Voir l'article de Wikipedia sur le moment angulaire pour beaucoup de bons détails.


Imaginez le nuage initial de gaz et de poussière avant qu'il ne s'effondre. Il a été enrichi en éléments lourds par des supernovas d'autres étoiles. Comme nous pourrions simplifier une supernova comme une "explosion", les ondes de choc des novas à elles seules fourniront un certain élan.

De plus, le soleil ne s'est pas formé seul mais est entouré d'autres étoiles, qui exerceront également une certaine force sur le nuage de poussière initial.

L'autre fait à garder à l'esprit est que même si le nuage s'effondre vers son centre, les particules individuelles et les molécules de gaz peuvent et auront leur propre chemin à travers ce nuage. Ils entreront en collision les uns avec les autres, seront poussés par le rayonnement et la gravité d'autres corps.

Si nous mettons de côté ces forces et traçons le chemin d'une de ces particules vers le centre, il y a deux choses qui pourraient arriver. Il "touche" le centre ou il ne le fait pas. S'il n'atteint pas le centre, il continuera son chemin sur un chemin elliptique autour du centre. Comme le nuage de gaz a déjà une impulsion initiale par la force décrite ci-dessus, toutes les particules qui ne suivent pas cette impulsion sont plus susceptibles de subir une collision frontale, de perdre une partie ou la totalité de leur impulsion et donc de tomber vers le centre. Les autres particules seront plus susceptibles de suivre leur chemin. Cela conduira à une situation où toutes les particules, qui ne suivent pas l'élan global du nuage, tomberont vers le centre et s'unifieront avec notre Proto-Soleil. Par conséquent, seules les particules qui ont suivi la quantité de mouvement initiale du nuage avaient le pouvoir de former des planètes et des astéroïdes.


Réponse ontologique/statistique :

Supposons un grand nombre de nuages ​​de matière, dont chacun s'effondre. Ils peuvent démarrer dans n'importe quelle configuration (vitesse, rotation, quantité de mouvement ; être plus homogènes ou plus perturbés etc.) que ce soit.

Il y a comparativement peu de configurations générales spéciales : celles où il n'y a pas d'élan de rotation net notable, et pas de touffes locales appréciables avec leur propre élan. Celles-ci peu de configurations conduiront à ne pas former un système solaire avec des planètes ; si tout se passe bien (très peu probable), tout s'assemblera au milieu et créera une étoile très solitaire.

Tous les autres cas conduiront à une certaine forme d'élan, qui commencera à tourner plus vite à mesure que la matière sera attirée dans un volume plus petit (comparez les danseurs qui rentrent leurs bras).

Donc : beaucoup, beaucoup de probabilité statistique pour qu'une configuration de départ aléatoire se termine avec un certain élan ; très très faible probabilité que ce ne soit pas le cas.


Pourquoi le système solaire est-il plat et non une sphère ?

Étant donné que l'espace est tridimensionnel, il peut sembler étrange que de nombreux objets cosmiques s'organisent dans le même plan. Prenez notre système solaire par exemple, où les planètes tournent autour du soleil dans le même plan au lieu d'être réparties dans une configuration sphérique. Cela est vrai à la fois aux petites échelles et aux échelles astronomiques. Les anneaux de Saturne sont disposés en forme de disque dans le même plan que le centre de masse de la planète. Les ceintures d'astéroïdes sont également plates, tout comme la plupart des galaxies.

En bref, ce schéma peut s'expliquer par une loi fondamentale de la physique : la conservation du moment cinétique. Le moment angulaire est l'analogue rotationnel du moment linéaire et est défini comme le produit de son moment d'inertie et de sa vitesse angulaire.

La loi de conservation du moment cinétique

La loi de conservation du moment cinétique stipule que lorsqu'aucun couple externe n'agit sur un objet, aucun changement de moment cinétique ne se produira. Si le couple net est nul, alors le moment cinétique est constant ou conservé.

C'est la conservation du moment angulaire qui peut expliquer pourquoi un patineur sur glace peut augmenter l'accélération angulaire en rapprochant ses bras et ses jambes de l'axe vertical de rotation. Parce que le moment est conservé, lorsque le patineur diminue l'inertie de rotation, la vitesse de rotation doit augmenter.

Pourquoi le système solaire est (presque) plat

Comment tout cela est-il lié plus exactement à la planéité du système solaire ? Il y a 4,6 milliards d'années, il n'y avait pas de planète Terre et le Soleil ne s'était pas encore formé. Au lieu de cela, une énorme goutte de gaz et de poussière flottait sur des millions de kilomètres carrés.

Attirées par la gravité, les particules de matière se sont progressivement rapprochées, entraînant éventuellement des collisions. Chaque fois que certaines particules entrent en collision, leurs nouvelles trajectoires sont aléatoires mais bien que la nouvelle direction soit impossible à prédire, le moment angulaire doit rester constant dans un système isolé car l'effet gravitationnel local des autres corps est négligeable.

Le moment angulaire est une quantité physique constante autour d'un axe fixe, qui est un point dans un espace 2D et une ligne dans un espace 3D. Cela signifie que le système tourne le long d'un plan perpendiculaire à cet axe. Dans notre cas particulier, le système solaire, cela signifie que lorsque tout ce gaz et cette poussière primordiaux ont commencé à entrer en collision, les particules pouvaient se déplacer dans n'importe quelle direction, mais tous les mouvements de haut en bas se sont mutuellement éliminés. Avec le temps, les particules perdent leur liberté de se déplacer sur tous les plans, à l'exception d'un plan 2D sélectionné.

Parce que toute cette matière a formé un disque, le tout dans un plan, toutes les planètes se sont également formées dans un plan. Sans la loi de conservation du moment cinétique, il aurait été impossible que des étoiles et des planètes se forment. Notre existence même est liée à cette loi fondamentale de la physique.

À titre de mise en garde, nous devons noter que le système solaire n'est pas parfaitement plat. Pluton, la planète naine, a une inclinaison orbitale d'environ 17 degrés par rapport au plan du système solaire et au centre de presque toutes les galaxies se trouve un grand renflement bien que 98% des étoiles d'une galaxie orbitent à l'intérieur de filaments de bras en spirale autour le centre de la galaxie. Mis à part ces bizarreries, le système solaire est assez bien rangé dans le même plan.

D'autres systèmes solaires peuvent être encore plus plats. Dans une étude publiée Les avis mensuels de la Royal Astronomical Society, les scientifiques ont modélisé les systèmes solaires détectés par le télescope spatial Kepler et ont découvert que la plupart d'entre eux avaient la forme de notre système solaire. Même le désormais célèbre système planétaire TRAPPIST-1, qui a des planètes semblables à la Terre 7 à seulement 39 années-lumière, est presque parfaitement plat.

« La richesse des données de la planète Kepler permet pour la première fois des études détaillées des systèmes planétaires en dehors du système solaire. Nous sommes maintenant en mesure de poser et de répondre à des questions telles que : à quel point les systèmes planétaires comme le nôtre sont-ils courants ?" Tim Bovaird, chercheur à l'ANU, auteur principal de la nouvelle étude, a déclaré dans un communiqué de presse.


Comment le système solaire a-t-il obtenu son moment angulaire ? Pourquoi la Terre n'est-elle pas tombée dans le Soleil au début ? - Astronomie

Pourquoi les planètes tournent-elles ? Quelle force les fait tourner ?

Il n'y a aucune force qui fait tourner les planètes. La majeure partie de la rotation provient de la conservation du moment cinétique. Le moment angulaire est donné par L=m*w*r 2 où m est la masse, w est la vitesse angulaire en radians par seconde et r est le rayon du mouvement circulaire. En raison de la conservation du moment cinétique, si le rayon de l'orbite diminue, alors sa vitesse angulaire doit augmenter (car la masse est constante).

Tous les systèmes planétaires et stellaires sont nés de l'effondrement de nuages ​​interstellaires denses. Les nuages ​​peuvent à l'origine être très gros (même des milliers d'années-lumière de diamètre). Considérons qu'une partie du nuage s'effondre d'une taille d'une année-lumière à la taille du système solaire. C'est un énorme changement dans la taille du système. Ainsi, la très légère rotation que le nuage a au début augmente considérablement lorsque l'effondrement a lieu. En fait, c'est l'un des obstacles à la formation d'étoiles : il y a un excès de moment angulaire et il doit y avoir un moyen de perdre le moment angulaire avant de pouvoir former une étoile.

Quoi qu'il en soit, l'essentiel est que des étoiles comme le Soleil tournent à partir du moment angulaire d'origine qui était là dans la nébuleuse solaire à partir de laquelle elle s'est formée. Non seulement cela, tout le mouvement orbital des planètes (y compris le spin) est dû à ce moment angulaire d'origine.

Vous dites que le moment angulaire d'origine du nuage provoque des mouvements orbitaux et des rotations des planètes (principalement). Mais dans le cas des mouvements orbitaux, nous avons une force gravitationnelle qui nous donne des restrictions de mouvement (lois de Kepler, par exemple).

Ce que je dis, c'est qu'il n'y aura pas de planètes s'il n'y avait pas de moment angulaire initial dans la nébuleuse solaire primordiale. Si une nébuleuse sans aucune rotation s'effondre, alors il n'y aura qu'une étoile centrale non rotative et il n'y aura pas de planètes. Les planètes se forment à partir d'un disque protostellaire, qui lui-même se forme uniquement à cause du moment angulaire initial du nuage. La dynamique d'un corps en rotation est bien sûr contrôlée par des forces telles que la gravité. Les lois de Kepler sont une conséquence directe de la gravité.

Existe-t-il également des lois dans le cas des rotations ?

La seule chose qu'il faut garder à l'esprit en rotation est qu'elle se traduit par une accélération centrifuge qui pointe radialement à partir du centre du mouvement. Par conséquent, il doit y avoir une force qui contrecarre cette accélération sinon le corps s'envolera (en cas de mouvement orbital) ou se désintégrera (en cas de rotation). Dans le cas du mouvement orbital, la force opposée est la gravité. La gravité fait continuellement tomber le corps vers le centre, ce qui contrecarre exactement la force résultant de l'accélération centripète. Dans le cas d'un objet en rotation, c'est l'auto-adhérence du corps lui-même qui le maintient ensemble. Cela se traduit par une limite à la vitesse à laquelle un objet peut pivoter tout en restant ensemble. S'il tourne trop vite, l'accélération extérieure ressentie par les éléments du corps peut être supérieure à la force qui les maintient liés les uns aux autres, et si cela se produit, le corps se brise. A part cela, il n'y a pas de loi réelle concernant les rotations. (Notez que le mouvement de rotation implique la conservation du moment angulaire tout comme le mouvement linéaire conserve le moment linéaire).

Cette page a été mise à jour le 18 juillet 2015.

A propos de l'auteur

Jagadheep D. Pandian

Jagadheep a construit un nouveau récepteur pour le radiotélescope d'Arecibo qui fonctionne entre 6 et 8 GHz. Il étudie les masers au méthanol à 6,7 GHz dans notre Galaxie. Ces masers se produisent sur des sites où naissent des étoiles massives. Il a obtenu son doctorat de Cornell en janvier 2007 et a été stagiaire postdoctoral à l'Institut Max Planck de radioastronomie en Allemagne. Après cela, il a travaillé à l'Institut d'astronomie de l'Université d'Hawaï en tant que boursier postdoctoral submillimétrique. Jagadheep est actuellement à l'Institut indien de science et de technologie spatiales.


Pourquoi la Terre tourne-t-elle ?

Dans un épisode classique de cette série de vidéos, j'ai fait les calculs de la vitesse de rotation de la Terre.

Nous savons que la Terre tourne, mais pourquoi ? Pourquoi tourne-t-il ?

Pourquoi tout tourne-t-il dans le système solaire ? Et pourquoi tout tourne-t-il presque tous dans le même sens ?

Cela ne peut pas être une coïncidence. Regardez la Terre d'en haut et vous verrez qu'elle tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Idem avec le Soleil, Mars et la plupart des planètes.

Il y a 4,54 milliards d'années, notre système solaire s'est formé dans un nuage d'hydrogène un peu comme la nébuleuse d'Orion, ou la nébuleuse de l'Aigle, avec ses formidables piliers de création.

Ensuite, cela a pris un coup, comme l'onde de choc d'une supernova voisine, et cela a fait tomber une région du gaz froid vers l'intérieur par sa gravité mutuelle. En s'effondrant, le nuage a commencé à tourner.

C'est la conservation du moment cinétique.

Pensez aux atomes individuels dans le nuage d'hydrogène. Chaque particule a son propre élan lorsqu'elle dérive dans le vide. Comme ces atomes se superposent avec la gravité, ils doivent faire la moyenne de leur quantité de mouvement. Il est peut-être possible de faire une moyenne parfaitement à zéro, mais c'est vraiment très peu probable.

Ce qui veut dire qu'il en restera. Comme une patineuse artistique tirant dans ses bras pour tourner plus rapidement, le système proto-solaire en train de s'effondrer avec son élan de particules moyen a commencé à tourner de plus en plus vite.

C'est la conservation du moment cinétique au travail.

Au fur et à mesure que le système solaire tournait plus rapidement, il s'aplatit en un disque avec un renflement au milieu. Nous voyons cette même structure dans tout l'Univers : la forme des galaxies, autour de trous noirs en rotation rapide, et nous la voyons même dans les pizzerias.

Le Soleil s'est formé à partir du renflement au centre de ce disque, et les planètes se sont formées plus loin. Ils ont hérité leur rotation du mouvement global du système solaire lui-même.

Au cours de quelques centaines de millions d'années, toute la matière du système solaire s'est rassemblée en planètes, astéroïdes, lunes et comètes. Ensuite, le puissant rayonnement et les vents solaires du jeune Soleil ont nettoyé tout ce qui restait.

Sans aucune force déséquilibrée agissant sur eux, l'inertie du Soleil et des planètes les a fait tourner pendant des milliards d'années.

Et ils continueront à le faire jusqu'à ce qu'ils entrent en collision avec un objet, des milliards voire des milliards d'années dans le futur.

Alors vous vous demandez toujours pourquoi la Terre tourne-t-elle ?

La Terre tourne parce qu'elle s'est formée dans le disque d'accrétion d'un nuage d'hydrogène qui s'est effondré à cause de la gravité mutuelle et avait besoin de conserver son moment angulaire. Il continue de tourner à cause de l'inertie.

La raison pour laquelle tout est dans la même direction est qu'ils se sont tous formés ensemble dans la même nébuleuse solaire, il y a des milliards d'années.


Une histoire du système solaire

La plupart des gens ne sont pas d'accord avec moi, par respect de soi, honneur ou décence.

Objectif

Cette histoire diffère de ses contemporains principalement par l'accent.

Il souligne que de nombreuses propriétés de notre système solaire actuel peuvent être expliquées en considérant les mécanismes qui étaient en jeu au début du système solaire. C'est une théorie de l'accrétion du système solaire et du système Terre-Lune, et explique comment la théorie de l'accrétion explique la divergence dans les constitutions chimiques de la Terre et de la Lune.

Le système solaire primitif était un endroit très différent de celui que nous connaissons. Différentes forces étaient en vigueur. J'espère illustrer comment plusieurs forces ont travaillé ensemble pour former les lieux que nous connaissons maintenant. Cette image est, je pense, plus riche et plus éclairante que les théories de collision qui sont récemment devenues populaires.

Je pense que le calcul que je fais pour suggérer la densité des disques d'accrétion est nouveau, bien que ce ne soit pas une science très dure.

Formation de matières premières

L'univers se compose principalement d'hydrogène et d'hélium. Cependant, la concentration d'éléments plus lourds dans le système solaire actuel est supérieure à la moyenne. Pourquoi cela pourrait-il être?

D'abord, il y avait une grande star. Pendant un milliard d'années, le processus de fusion nucléaire a transformé ses éléments les plus légers en éléments plus lourds. L'énergie libérée par ce processus a fourni de la chaleur qui a maintenu sa masse en suspension contre l'effondrement gravitationnel.

Ce processus ne pouvait pas durer éternellement. La plupart des éléments plus lourds absorbent plus d'énergie qu'ils n'en produisent dans le processus de fusion nucléaire. Un jour, il n'y avait plus assez d'éléments plus légers à brûler.

Le noyau de l'étoile a subi un effondrement gravitationnel. En quelques secondes, il a été broyé en une matière très dense, une étoile à neutrons. Cet événement a libéré une énorme quantité d'énergie, qui a soufflé le reste de l'étoile dans l'espace, enrichi de ses éléments lourds nouvellement formés.

Là, les restes gazeux de l'étoile se sont refroidis et sont entrés en collision avec d'autres nuages ​​de gaz interstellaires, et ont continué à jouer d'autres rôles.

Effondrement gravitationnel

Les nuages ​​de gaz de notre galaxie représentent une partie beaucoup plus importante de la masse de la galaxie que ses étoiles et planètes.

Toute matière cause la gravitation, et tous les corps matériels dans l'espace sont affectés par la gravité. Puisque les nuages ​​de gaz ont une masse, ils exercent une attraction gravitationnelle sur d'autres corps et sur eux-mêmes.

Si la gravitation était le seul mécanisme présent, un nuage de gaz s'effondrerait rapidement sous son propre poids. Cependant, il existe deux autres mécanismes qui agissent contre un tel effondrement : la vitesse du volume et la pression due à la température.

Si les différentes parties d'un nuage s'éloignent très rapidement, comme ce serait le cas après l'explosion d'une étoile, elles peuvent échapper à la gravitation globale du gaz.

La pression d'un gaz peut résister à la force de gravité. Si un nuage de gaz est trop chaud, il aura tendance à se dilater plutôt que de se contracter sous sa propre gravitation.

Cependant, la vitesse globale d'un nuage de gaz peut être réduite par collision avec un autre nuage de gaz, et la température d'un nuage de gaz est progressivement réduite par refroidissement par rayonnement.

Souvent, un nuage de gaz galactique ralentit et se refroidit de sorte qu'il s'effondre sous son propre poids.

Formation d'un disque

Les orbites des planètes de notre système solaire se trouvent toutes à quelques degrés d'un plan parfait. Hors Pluton, ils sont à moins de 7 degrés d'un plan. À l'exception de Mercure, ils sont tous à moins de 3,5 degrés.

De plus, les planètes de notre système solaire orbitent toutes autour du Soleil sur des orbites presque circulaires. Encore une fois, à l'exception de Pluton et de Mercure, ils sont tous à moins de 10 % des cercles parfaits. Hors Mars, ils sont à moins de 6% des cercles parfaits. L'orbite de la Terre ne dévie d'un cercle parfait que de 1,6% - si vous la dessinez sur une page avec un crayon, vous ne pouvez pas la distinguer d'un cercle.

En revanche, une fois qu'une planète est sur une orbite elliptique, elle a tendance à y rester. C'est parce que les mouvements orbitaux des planètes conservent l'énergie. Nous devons conclure que les planètes sont nées sur des orbites presque circulaires autour du Soleil.

Comment ce mouvement circulaire, planaire et familier est-il né ?

Le mouvement d'un nuage de gaz sous gravité est affecté par des mécanismes qui sont insignifiants dans les systèmes de corps solides gravitants. Ces forces sont principalement dues à la pression du gaz et à la friction. De plus, des forces électrostatiques et magnétiques entrent en jeu.

L'énergie contenue dans un nuage de gaz est perdue et rayonnée sous forme de chaleur due à la friction. Cependant, le moment angulaire doit être conservé.

Le gaz se déplaçant dans des directions aléatoires au sein d'un nuage qui s'effondre aura tendance à perdre de l'énergie et à tomber dans une configuration qui a le moins de friction tout en maintenant un moment angulaire : un disque en rotation.

Toute portion de gaz en orbite autour du centre de gravité du nuage, mais pas dans le disque commun, entrera en collision avec le gaz dans le disque et perdra de l'énergie dans cette collision. L'énergie sera rayonnée sous forme de chaleur dans l'espace, et le mouvement moyen deviendra plus plan et circulaire.

Du nuage de gaz, un se forme, un système proto-planétaire. La forme du disque est familière : comme une galaxie spirale, il est rond et plat avec un renflement central.

C'est pourquoi les planètes du système solaire se situent presque toutes à quelques degrés d'un plan parfait et à quelques pour cent d'orbites circulaires autour du Soleil. Ils ont hérité leurs orbites circulaires coplanaires du mouvement circulaire du gaz dans le disque d'accrétion qui était le proto système solaire.

De plus, le fait que les orbites planétaires soient encore très circulaires suggère qu'aucun objet de la taille d'une étoile ne s'est approché de notre système solaire depuis sa formation.

Moment angulaire

Le moment angulaire est la mesure de la tendance d'un corps en rotation à rester en rotation. Le moment angulaire est toujours conservé.

Pour plus d'informations sur le moment angulaire, voir Moment angulaire dans le système solaire.

Où se trouve la majeure partie du moment angulaire dans notre système solaire ?

Plus de 96% de celui-ci est dans l'orbite des planètes autour du Soleil, seulement quelques pour cent sont dans la rotation du Soleil lui-même. En fait, plus de 60% du moment cinétique du système solaire se trouve dans la seule orbite de Jupiter !

Si le Soleil tournait assez vite pour avoir ce moment angulaire, il serait déchiré par les forces centrifuges.

C'est pourquoi presque toutes les étoiles doivent avoir des compagnons, que ce soit des planètes ou d'autres étoiles. Le moment angulaire d'un immense nuage de gaz ne peut pas être concentré dans le rayon relativement petit d'une étoile.

De même, la plupart des planètes auront des compagnons.

Proto-corps

Un disque d'accrétion, comme nous l'avons décrit, n'est pas stable. Même s'il y avait un objet en forme de disque parfaitement lisse, en rotation, il ne pourrait pas rester ainsi longtemps. Les zones intérieures orbitent plus rapidement autour du centre que les zones extérieures. Cela provoque des tourbillons dans le disque, qui ont tendance à diviser le disque en anneaux.

Un vortex peut devenir une proto-planète (ou proto-lune), avec son propre disque d'accrétion se formant à partir de la matière dans les bandes voisines.

Voici une belle image générée par ordinateur d'une proto-planète se nourrissant de telles bandes

Accumulation

Lorsque la température est suffisamment basse, des molécules chimiques se forment lorsque les atomes du nuage entrent en collision et adhèrent les uns aux autres. Ces molécules peuvent alors entrer en collision pour former des cristaux (une « poussière »). Les cristaux entrent ensuite en collision pour former des agrégats de cristaux, et enfin des corps plus grands, des proto-planètes, un proto-Soleil, une proto-Terre et une proto-Lune, le tout flottant dans un gaz.

Dans les bonnes conditions de pression et de température, il peut même y avoir de l'eau liquide et d'autres liquides.

À mesure que la gravité comprime le gaz, ces collisions fortuites deviennent plus probables et le processus s'accélère.

Au fur et à mesure que l'accrétion progresse, la masse devient plus concentrée. Cependant, le nuage ne peut pas s'effondrer immédiatement, car la compression générerait trop de chaleur, ce qui entraînerait une expansion du gaz. Il doit progressivement émettre de la chaleur pour s'effondrer.

Les zones proches dans le nuage sont généralement composées d'éléments similaires. Le degré de similitude dépend de la qualité du mélange du nuage de gaz initial.

En présence d'un fluide accélérateur, les matériaux peuvent facilement se séparer en poids. Les nuages ​​de gaz tourbillonnant autour d'une proto-étoile ou d'une proto-planète ne tournent pas comme un disque solide : le matériau interne orbite plus rapidement que le matériau externe, ce qui produit des frictions et des ondes de pression qui se déplacent à travers le gaz.

Alors que le gaz et la poussière sont suspendus dans cet état, en partie par la pression du gaz, la gravité a tendance à trier les éléments en fonction du poids. Ainsi, en particulier, la Terre acquiert finalement plus de fer et d'autres éléments lourds que la Lune.

Dans cette période, les feux nucléaires du Soleil n'ont pas commencé à brûler. La température dans le nuage est principalement due à la compression du gaz et à la friction lorsqu'il se frotte contre lui-même.

La densité des disques d'accrétion

Faisons un calcul approximatif pour avoir une idée de la densité du disque d'accrétion Terre-Lune.

L'air est un gaz que nous connaissons tous. Quelle est la taille d'un disque fait d'air qui pèse le même poids que la Terre ? Disons que l'épaisseur du disque est la même que le diamètre de la Terre.

  • La densité de l'air (à « température et pression standard ») est de 1,2250 kg/m 3 .
  • La densité moyenne de la Terre est de 5515 kg/m 3 , environ 4502 fois plus dense que l'air.
  • La racine carrée de 4502 est d'environ 67.

Par conséquent, un disque d'air plat d'une épaisseur égale au diamètre de la Terre et d'une masse égale à celle de la Terre a un rayon d'environ 67 rayons terrestres.

Comparez cela à la distance actuelle de la Terre à la Lune : environ 31 rayons.

Nous pensons à un disque d'accrétion comme étant mince dans certaines parties, bombé dans d'autres, pas d'épaisseur uniforme, un peu comme les galaxies spirales que nous voyons dans le ciel. Une grande partie de sa matière était probablement sous forme de morceaux solides (ou liquides !). Cela aurait tendance à réduire la pression moyenne du gaz. D'autre part, la majeure partie des gaz plus légers du système Terre-Lune a probablement été emportée par les vents initiaux du Soleil (section suivante). Ce matériau supplémentaire aurait eu tendance à augmenter la pression moyenne du gaz.

À un moment donné, la densité typique d'un disque plus petit que 67 rayons pourrait avoir été beaucoup plus grande que celle de l'air.

Dans le système solaire actuel, la densité du gaz dans l'espace interplanétaire est très faible. Il se compose également principalement du vent solaire de plusieurs millions de degrés, provenant du Soleil. Notre espace proche est en effet à l'intérieur de la bulle chaude et clairsemée de l'atmosphère étendue du Soleil. Avant que les incendies nucléaires du Soleil ne s'enflamment, cependant, l'environnement était très différent.

Auriez-vous pu attacher une paire d'ailes et vous envoler vers la Lune ?

La matière pleut littéralement du nuage sur les proto-planètes, tombant à travers ce gaz substantiel. Des morceaux, de la poussière, des cristaux et même des gouttelettes d'eau se condensent et tombent.

Densité solaire :
1441 kg/m3
Le rayon est 109 fois celui de la Terre (environ 436 000 miles) :
Un disque d'air de l'épaisseur et de la masse du Soleil serait d'environ 38 rayons solaires.
La Terre orbite à environ 220 rayons du Soleil.

Le soleil s'enflamme

Pourquoi les planètes extérieures, à l'exception de Pluton, sont-elles d'énormes « géantes gazeuses », alors que les planètes intérieures sont toutes relativement petites et rocheuses ?

Il a été observé que les étoiles très jeunes sont beaucoup plus chaudes que les étoiles plus âgées de taille similaire. Au cours des quatre premiers millions d'années environ de la vie d'une étoile, la chaleur de la fusion nucléaire est complétée par la chaleur due à la compression du gaz. C'est ce qu'on appelle la période (d'après une étoile qui est actuellement dans un tel état).

Certains estiment que, lorsqu'il traversait sa période T Tauri, le Soleil était quatre fois plus brillant qu'il ne l'est actuellement. Voir cet article « Un nouveau modèle montre que le soleil était une jeune star chaude » sur les recherches de Günther Wuchterl.

La chaleur du Soleil actuel aurait suffi à souffler ce qui restait du disque d'accrétion du proto-système solaire. La chaleur de T Tauri aurait également emporté la plupart (ou la totalité) des atmosphères des planètes intérieures.

Les planètes intérieures ressemblaient à l'origine plus à des géantes gazeuses.

Avant que le Soleil ne s'enflamme, les proto-planètes intérieures avaient toutes un épais manteau gazeux. Dans le cas de la Terre, il aurait été arbitraire de distinguer ce manteau de son disque d'accrétion qui, à un moment donné, s'est étendu au-delà de la Lune.

Par comparaison, les planètes « géantes gazeuses » actuelles Uranus et Neptune, bien que 17 et 14 fois la masse de la Terre, auraient des noyaux rocheux de taille comparable à celle de la Terre.

Il est possible que toute l'atmosphère de la Terre ait été emportée par le Soleil primitif. L'atmosphère et les océans de la Terre d'aujourd'hui peuvent être expliqués par les dégazages du noyau rocheux restant (la masse des océans de la Terre est inférieure à 1/10000 de la masse de la planète).

Une grande partie du reste du disque d'accrétion du système solaire a été perdue pour le système actuel, projetée dans l'espace interstellaire par le Soleil. Cependant, certains se cachent encore à ses franges (une région nommée le ) sous la forme de boules de glace très froides. Ces boules de glace deviennent parfois des comètes. De nos jours, il est courant de considérer la planète Pluton comme un objet proche de la ceinture de Kuiper plutôt que comme une planète lointaine.

De nos jours, la notion de disques d'accrétion est bien plus qu'une théorie. Il existe des photographies d'étoiles proches qui semblent montrer très clairement des disques de poussière et de gaz :

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Quelques photos de disques proto-planétaires par le télescope spatial Hubble. Étoiles avec disques d'accrétion. Il y en a bien d'autres..

Les premiers jours

Les planètes se refroidissent et subissent un bombardement continu de météores.

Jupiter reste très chaud tout seul, il cuit ses satellites intérieurs.

Mars a une atmosphère substantielle !

La Terre développe une atmosphère épaisse de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau. Cela changera bientôt, par des processus qui ne sont pas considérés comme faisant partie de l'astronomie. La Lune est initialement deux fois moins éloignée de la Terre qu'elle ne l'est actuellement, et tourne beaucoup plus vite qu'elle ne le fait maintenant.

Aujourd'hui, la ceinture d'astéroïdes entre Mars et Jupiter contient suffisamment de matière pour une petite planète (plus petite que la Lune). C'est une question ouverte de savoir s'il s'agit des restes d'une planète détruite, ou s'il s'agit des restes d'une planète qui ne pourrait jamais se former à cause de l'effet de traction de Jupiter.

Mon opinion à ce sujet a été fortement influencée par les images de l'astéroïde Eros (animation du 17 février 2000) prises par la sonde spatiale NEAR. Cet objet est concave. Je ne peux pas concevoir comment une telle chose aurait pu être formée par des moyens gravitationnels. Pour moi, cela ressemble à un éclat de quelque chose qui était autrefois solide.

L'état actuel

Notre Lune ne nous présente qu'un de ses hémisphères (son « côté proche »). Il tourne sur son axe exactement une fois à chaque fois qu'il tourne autour de la Terre.

Ce n'est pas inhabituel dans le système solaire. La plupart des lunes des planètes du système solaire ne présentent qu'un seul hémisphère à leurs planètes.

Cela est dû aux forces « de marée ».

Bombardement d'astéroïdes beaucoup plus lent qu'avant.

Le Soleil, composé aujourd'hui d'environ 3/4 d'hydrogène, 1/4 d'hélium, a encore plusieurs milliards d'années.

L'« héliopause » où le vent solaire cesse de souffler.

Problèmes connexes : les périodes orbitales des lunes de Jupiter sont des multiples entiers les unes des autres, la stabilité apparente des anneaux de Saturne et de la ceinture d'astéroïdes, les périodes de rotation impaires de Mercure et de Vénus.

L'avenir

La rotation de la Terre ralentit, en raison des forces de marée de la Lune. Enfin, il ne présente qu'un seul visage à la Lune, qui est deux fois plus éloignée qu'elle ne l'est maintenant. La dynamique a été élaborée par George Howard Darwin en 1879. Voir la biographie.

Lorsque le Soleil aura brûlé son carburant hydrogène, il commencera à brûler de l'hélium et d'autres éléments, mais deviendra une étoile "géante rouge" dans le cadre du processus. Les planètes intérieures seront toutes cuites. Puis quand il aura brûlé tout son hélium, il ira exploser en « nova ». Enfin, il se calmera en cendres, une étoile « naine blanche ».

Peut-être qu'une étoile s'approche trop près du Soleil, et toutes les planètes solaires seront perdues dans l'espace interstellaire froid.

Earth and Biology

The biology of the Earth touches this astronomical story in several ways.

First, the oldest rocks on Earth (and the Moon) are about 5.5 billion years old. This is taken to indicate when the planet first solidified. The oldest biological fossils to date, are about 4.5 billion years old.

Life is nothing new on planet Earth. It came into being shortly after the planet’s formation, not long (in geological time) after conditions became favorable for life to exist. (This was pointed out by Stephen Hawking in a talk I attended in Vancouver, B.C. in the mid ’90s.)

Next, the atmosphere of the Earth is one quarter molecular oxygen, whereas the atmosphere of no other planet in our Solar system contains free oxygen. Oxygen is very reactive, so this situation would be impossible without some chemical pump keeping the oxygen free. That chemical pump is the photosynthesis of plant life.

Does the existence of life imply the existence of free atmospheric oxygen? No, but such a chemical imbalance would be an important clue that life exists on a planet.

Finally, a well-regarded theory explaining the extinction of the dinosaurs, as well as several earlier extinctions, involves a collision of the Earth with relatively small asteroids. Life on Earth is normally placid only because most of those asteroids left over from the formation of the Solar system have been swept up by the Sun or planets or ejected from the Solar system.

Other theories

The accretion theory is very old. It can be traced back as far as René Descartes in 1644, and has been propounded by such notables as Kant and Laplace.

An alternate group of theories involve things colliding with one another or spinning so fast they blow up. These collision theories have gone in and out of fashion over the years.

At some point, the dividing line between the two groups is a little hazy. Accretion-type theories involve material falling into bodies, and most collisionists don’t deny that some accretion occurred.

Dinosaur in a Haystack , 1995--> The French naturalist Gorges Buffon put forth a theory of Solar system formation in his 1749 work Histoire et théorie de la terre , whereby a comet was to have struck the Sun, producing a plume of material that coalesced into the planets.

In 1796, the German philosopher Immanuel Kant and the French mathematician Pierre-Simon Laplace both (and apparently, independently) published theories of Solar system formation, based on a “nebular hypothesis”, that the Solar system formed from a cloud of material. The Realm of the Nebulae , 1936 Ch.1, “The Theory of Island Universes”--> (Both Kant and Laplace correctly argued that some of the astronomical nebulae seen in telescopes were in fact composed of stars, were “island universes”. This insight was never accepted by the scientific community until the 1920s, when it was proved by Edwin Hubble.)

In his Exposition du système du monde (1796), Laplace argues that the friction in a gaseous system provide the only mechanical explanation for the fact that the planets and most of the planets’ satellites orbit in the same direction, nearly in a plane.

George Howard Darwin (son of Charles), in 1878, proposed that the early Earth spun so fast that the Moon shot out of it. It should be noted that his work on tidal forces was very respectable.

There are serious mathematical problems with this idea, but the overriding objection for me is: How did the Earth come to be spinning so fast in the first place?

A recent theory called Big impact was supposedly invented to explain the high angular momentum of the Earth-Moon system, and why the Moon is composed of lighter materials. It invokes a “rogue” planet crashing into an early, moonless Earth, knocking out enough material to create a dust cloud which then accretes(!) to form the Moon.

As to why the angular momentum is a problem, I have no idea how they could have made such a judgment—there are so many variables involved.

Of course, the accretion theory easily accommodates the sorting of elements by weight. In the above account, I have stressed that accretion disks are largely gaseous, and that their dynamics are significantly influenced by gas pressure. Those who oppose the accretion theory on the grounds of that it doesn’t explain the Earth-Moon chemical differentiation invariably describe accretion disks as being composed of dust, which by tacit assumption obeys only gravitational dynamics—not gas dynamics. Such a scenario would not have led to differentiation, but it could not have been the case in our Solar system.

The main reason that researchers have assumed that the Earth accreted from a dust cloud was that it is supposed that the inner Solar system was very hot at the time of the Earth’s accretion, that most of the lighter materials had already evaporated.

The Big Impact theory doesn’t explain why the Earth’s orbit is nearly circular, and why the moon’s orbit is so near the plane of the other bodies in the Solar system. It is unlikely that a rogue planet would strike the Earth in such a way as to not only knock out material to produce the Moon, but also to knock it dans a circular orbit, in just such a plane. Moreover, it amounts to a logical regress: If it is impossible for two bodies of different constitution to accrete from the same gas cloud, then where did this third body come from? It couldn’t have come from the same gas cloud as our Solar system, or it would have to have the same constitution as the Earth!

And… where is the rogue planet now? And why the insistence that a single impact is to blame? Why not two? If two, why not millions? It seems to me that there must be some emotional appeal for the collision theory: maybe just the picture of big things going boom.

The big distinction between the collision theories and accretion is that collision theories propose something extraordinary to explain orbital situations, while the accretion theory proposes that the orbital situations we see in the Solar system are ordinary. The former is exciting, but isn’t very enlightening about typical solar system formation. Once we are able to resolve planets and their moons orbiting other stars, this issue will be resolved.

A psychiatrist named Velikovsky published a book called “Worlds in Collision”, in which he interprets various ancient myths as proof that Venus popped out of Jupiter, had various affairs with other planets, had a brief fling as a comet, then matured and settled down in a nice circular orbit.


How did the solar system get its angular momentum? Why did Earth not fall into the Sun at the start? - Astronomie

Dynamics of planetary motion

The orbits, spins and motions in the Solar System also provide clues to its formation. As we saw when discussing the night sky, the Solar System has a lot of regularity to it. Most of the planets (and Sun) orbit and spin in the same direction (counterclockwise as viewed from above the Ecliptic). Planets have nearly circular velocities, and the planets stay close to the ecliptic -- the path of the Earth round the Sun. In other words, the Solar System is a flattened spinning system. There are exceptions to this, notably Pluto among the planets, which has a tilted eccentric orbit, and Venus, Uranus and Pluto, which have retrograde spin.

Disk formation appears to be common around newly forming stars. This is significant, because it suggests that planet formation (out of the material of the rotating protoplanetary disk) may also be a common phenomenon. Recall our study of conservation of angular momentum and conservation of energy. As the early solar nebula formed, it's heat increased with gravitational collapse, and it formed a flattened, spinning disk. This structure and these motions are reflected in the current constituents of the Solar System. The temperature differences will result in the formation of two distinct types of planets. Our model can be tested by studying the properties of disks around other forming stars.

Sizes of Planets and Clues to Composition

Inner Solar System bodies (including the belt asteroids) are rocky bodies, and quite small (none is bigger than the Earth), while the outer Solar System bodies are icy, where they are solid at all. The giant planets have huge atmospheres of hydrogen and helium around predominantly icy cores. They are surrounded by many moons, and by rings of ice and dust.

The clue to why the inner and outer Solar System bodies have such different sizes and composition despite forming from a common nebula lies in realizing that all this planet formation was going on at the the same time as the proto-Sun was "turning on" the inner Solar System was much hotter than the outer Solar System. The key idea is that the solids that eventually made up the planets condensed as small grains out of the nebular gas. le condensation sequence of materials with temperature meant that the kinds of grains that could condense out as solids would depend on the temperature of the nebula at that location. Near the terrestrial planets, where nebular temperatures reached about 1500 degrees K, only metallic grains, and silicates (the material of rocky and iron cores) could form solids, so the inner planets and asteroids are made of silicate rocks and metals. Only in the outer Solar System could the lighter solids (water ices, carbon dioxide, methane, and ammonia ices) condense as well. This explains the difference in composition between the planets in the inner and outer Solar System. There is a size difference because the ices are made up of C, N, H, O -- elements which are much more abundant in the solar nebula than Fe, Si, Mg, metals that formed the grains in the inner Solar System. This made it easy for the outer Solar System planets to grow into giant worlds. The outer planets are large enough that they probably formed their own "mini-disks" around themselves, that eventually evolved into their own miniature "solar systems", with moons and rings. The ices formed low-density worlds worlds, with compositions much like the Sun (mainly hydrogen), while the metallic grains and silicates formed high-density rocky terrestrial planets.

Holding onto Nebular Gases Another crucial difference between the inner and outer Solar System is that the giant outer planets grew massive enough that their gravity could hold onto the original H and He gases of the nebula, and indeed, pull these in directly from the nebula (once planets had grown to about 15 earth masses) and retain these light elements. This was impossible for the inner planets, both because of the high temperatures (which made it easier for light gas molecules to escape a planet's gravitational field), and the small gravitational masses of the terrestrial planets.

Growing Planets from Planetesimals

We think all the bodies in the Solar System were formed initially from dust grains sticking to one another to form larger and larger bodies. These larger bodies are called planetesimals. Initially, dust grains just stick to one another, but as really big bodies form, they can also gravitationally attract neighboring particles and bodies to grow even bigger. Eventually, the biggest bodies win: these become the planets. Some of this material might not go on to form planets. (For example, the asteroid belt is thought to be a planet which did not succeed in forming, due to the gravitational disruption of Jupiter).

Once the Sun `turned on', radiation pressure and a dense wind from the Sun probably cleared out most of the material. Some of this left over `debris' from the planet making process survives as asteroids and comets. Their compositions (rocky or icy) reflects the sites of their original formation in the inner or outer regions of the Solar System. The early clearing out of debris created a period of early cratering. Some of the later collisions result in `captured' moons, which may have unusual orbits that do not reflect the original patterns of motion in the forming Solar System.

The Age of the Solar System

Dating the Solar System is accomplished by investigating naturally occurring radioactivity in solid rocks. We are then really considering the time to the solidification of the rock in question. A parent nucleide spontaneously undergoes a radioactive process, that alters the nucleus and gives off energy. The time for half the sample of nuclei to decay is the half-life of the species in question. By considering the ratio of parent to daughter nuclei, the time to the solidification can be calculated, provided the initial composition can be guessed at. This guessing is done by knowing something about the naturally occurring isotopic ratios in the sample (nuclei with the same number of protons -- same element -- but different numbers of neutrons -- different isotopes.) For example, Uranium-238 decays into Lead-206 with a half life of 4.5 billion years (Gyr) and the Lead-206 to Lead-204 ratio gives the initial state, since Lead-204 is not a daughter species. The oldest Earth rocks dated in this way are 3.8 Gyr old. The age of the Solar system is generally reckoned to be that of the oldest meteorites, about 4.6 Gyr.

The chronology of the Moon is quite well determined by radioactive dating of rocks brought back by the Apollo Program astronauts. The heavily cratered Highlands contrast with the younger, less cratered Maria floors which are upwellings of basalts that are much younger than the impacts that formed the basins themselves. The craters on the Moon and Mercury are impact craters from meteorite impacts and, the older the surface, the more impacts it shows. However, the lunar record shows that there must have been a period of very heavy bombardment about 4 billion years ago to account for the very high crater density in the Highlands. The youngest features on the Moon are the craters like Tycho and Copernicus, about 200 million years old ejecta from these impacts overlies older terrain --- the principle of stratigraphy: new stuff is on top of old stuff. We believe that all these objects formed at roughly the same time.

Comparative Planetology

      The Common Origin of the Planets

The idea of "comparative planetology" is that we would like to understand why the planets of the Solar System got to be the way they are, although they have a common origin, presumably, in the Solar Nebula. Specifically, in the inner solar system, the Earth is fairly active geologically, the Moon and Mercury are dead worlds, and Mars and Venus are in between. The fundamental question is how can these differences have arisen on worlds subject of the same physical laws and processes as on Earth, and can this be traced to the properties of the planets, their size, mass, composition and location, rather than just being treated as accidents.

We think that all the terrestrial planets have differentiated interiors. Early on in their history, while they were still hot from formation, the denser material in these planets probably sank to the center, forming a metallic core, with a less dense rocky mantle above it, and even less dense rocky crust on top. The outer part of this structure is what is called the "lithosphere", and it can react to stresses and energy flows from the interior if it is thin enough. The thickness of the lithosphere is directly related to the temperature of the interior, in the sense that it is thinner in the case of a hotter interior. This reaction in the lithosphere is what shows up as surface geology -- volcanos, lava flows, earthquakes and so on. So the key idea is that a hotter planet will be expected to have a more geologically active surface.

The crucial property of a planet that determines its inner heat, and therefore its surface activity, turns out to be the size of the planet. This comes about because the planet's interior temperature is a balance between heating and cooling. Rocky planets are predominantly heated by radioactivity in rocks distributed throughout their interiors, once the heat of formation and differentiation has radiated away. This means that the heating of a planet is a function of it's volume. On the other hand, a planet cools through its surface by radiation. Because of the balance between heating and cooling, the important quantity is the ratio of the surface to the volume of the planet. For a spherical planet, this ratio is inversely proportional to the size of the planet. In other words, a large planet keeps its heat more efficiently than a smaller planet. This ties in nicely with the planets of the inner solar system: the small worlds, like the Moon and Mercury, and to some extent Mars, will have cooled off more rapidly than Earth or Venus, and it is these small world that are less active, or dead

Atmospheres of Planets

      Outgassing an atmosphere

It is very unlikely that the primitive inner planets were large enough to hold onto the gases of the Solar Nebula as atmospheres, but all the inner planets have some form of atmosphere, even the Moon and Mercury. In the case of the Moon and Mercury, this is though to be the result of bombardment: a very small amount of gas is intermittently present on the surfaces. In the case of Earth, Mars & Venus, the atmospheres are thought to have been outgassed from the planet's interiors during the course of early volcanic activity. These would have been primitive reducing atmospheres, of carbon dioxide, methane, and Mars and Venus still have atmospheres that are predominantly carbon dioxide. The Earth is unique in having an oxygen and nitrogen atmosphere, although carbon dioxide and water remain as important trace constituents.


How did the solar system get its angular momentum? Why did Earth not fall into the Sun at the start? - Astronomie

Formation of Planetary Systems

  1. The inner four planets, Mercury, Venus, Earth and Mars, are all small and rocky.
  2. The next four planets, Jupiter, Saturn, Uranus and Neptune, are all gas giants.
  3. All planets orbit the Sun in the counterclockwise direction (right-hand rule) as seen from above the ecliptic. This is called direct motion. The opposite direction is called retrograde . The Sun also rotates in this same direction.
  4. The orbital planes lie very close to the ecliptic plane for all planets (except Pluto). The angle of the orbital plane is called the inclination .
  5. The orbits of the planets are nearly circular. The eccentricities are all less than 0.1 except for Mercury and Pluto.
  6. The rotations of the planets are also direct (counterclockwise) except for Venus (which is slowly retrograde) and Uranus (which is almost rolling around its orbit). The angle of the spin axis to the planet's orbital plane is called the obliquity .
  7. The separation between planets in our solar system seems to follow a pattern (Bode's Law), which intrigued Kepler (Music of the Spheres)

B. Formation of Our Solar System

  1. The rocky planets and our Moon show evidence of heavy bombardment by large objects that left highly cratered surfaces. This is true of Mercury, the Moon, and Mars. By careful dating and other evidence, it is clear that this bombardment was mainly isolated to a specific period of time roughly 700 Myr after the formation of the Moon.
  2. The Earth, and perhaps Mars, has lots of water.
  3. We find lots of smaller bodies (the asteroids in the asteroid belt, Kuiper-belt objects, and comets) that we have to account for.
  4. There are some known timescales we have to account for:
    • The protostellar object and disk must form roughly 10 5 years after collapse begins.
    • Protostars go into a period of intense outward mass loss in the form of a violent wind between 10 5 and 10 7 years after they form. This suggests that any material in a protoplanetary disk is swept clear after about 10 Myr, so the planets better be formed by then!
    • The oldest meteorites are 4.566 Gyr old, while the Sun itself is 4.57 Gyr (according to models), so meteorites must have formed quickly.
    • Ages of rocks returned from the Moon, or ages of Martian meteorites, show that both bodies must have solidified no more than 100 Myr after the collapse of the nebula.
    • The lunar surface underwent a spike of bombardment 700 Myr after the Moon formed.

2 p (une 3 /DGsun) 1/2 . Likewise, consider the radius at which the orbital period of a test particle around a protoplanetary mass M , is the same as the period of the protoplanet around the Sun, P = 2 p (RH 3 /DG) 1/2 , where RH is the radius of the orbit, called the Hill Radius. Equating these two periods, we can solve for the Hill radius

RH = (M/Msun) 1/3 une .

The significance of this is that if a test particle comes within the radius RH of a planetesimal of mass M , it can become gravitationally bound and the planetesimal continues to grow. Rather than working with mass, it is possible to convert this to a ratio of densities

This radius is generally much bigger than the radius R of the planetesimal, meaning that the planetesimal has access to a large volume of space. Consider that the planetesimal will orbit and eventually come into contact with anything within that radius around the entire orbit, which makes a considerable volume of the nebula available. Thus, planetesimals can grow surprisingly fast (of order 10 6 yr).

A large planet like Jupiter, beyond the snow line, would have grown a core by the accretion method until it was perhaps 10-15 Mearth . At that point, it becomes massive enough to attract and hang onto gases such as helium and hydrogen, and could then grow much more rapidly. Jupiter would grow until the gas was depleted, again taking perhaps 10 6 yr. More distant planets (Saturn, Uranus, Neptune) are progressively smaller mainly because the solar nebula's density would decrease outward. In the inner solar system, the last stages of accretion would have involved collisions between very large bodies. The Earth's Moon is thought to be the remnant of a body the size of Mars hitting the proto-Earth, stripping off mainly the outer crust of Earth which then collected into the Moon. It was during these very large collisions that rotation axes could get knocked helter-skelter. This could explain the upside-down Venus and sideways Uranus.

After 10 7 yr, the planets would have largely stopped growing, and the terrestrial planets would have been completely molten and devoid of any volatiles (no water). By that time, the Sun ignites (starts nuclear fusion of H -> He), and enters the intense T Tauri stage that sweeps the remaining dust and gas away.

C. The Data from Other Solar Systems

The above scenario is probably about right, but it was developed before we had observations of other solar systems. With the tremendous number of examples we have now, we can ask how they agree with our solar system, and how they differ. A major surprise is the number of "hot Jupiters," which are found very close to their host star in a region well inside the snow line, where they could not have formed by the scenario just described. The best guess for what is happening is that these giant planets can actually move inward or outward in orbital radius, so the "hot Jupiters" are formed initially in one location, and migrate inward to where we see them now. There are two migration mechanisms that have been proposed and confirmed with numerical simulations. So-called Type I migration involves density waves set up in the nebula due to gravitational interaction (see similar density waves in Saturn's rings). Even stranger things can happen: Hot Jupiters. There is also a slower Type II migration that occurs within gaps of the nebula where density waves are no longer relevant. And finally, interactions with planetesimals just inside the orbit of a planet can cause the planet to give up angular momentum and scatter the planetesimals and itself therefore migrate outward.

Simulations suggest that Jupiter formed about 0.5 AU farther from the Sun, and migrated inward, while Saturn formed perhaps 1 AU closer to the Sun and migrated outward. During these migrations, the two gas giants would have moved through a critical 2:1 orbital resonance. Such a resonance would have meant that Jupiter's and Saturn's gravitational influence would have combined in the same way periodically on every other Jupiter orbit, causing significant perturbations in the surrounding sea of planetesimals. It is interesting that the simulations suggest that this would occur about 700 Myr after the formation of the inner planets and the Moon, so that this orbital resonance could have caused the bombardment that led to the craters seen on Mercury, Mars and the Moon. This same bombardment would have brought large amounts of water to the now cooling Earth (and apparently also Mars), accounting for our present-day oceans. A similar migration of Neptune outward would have scattered the Kuiper Belt objects and forced some of them in the 3:2 resonance we see today (including Pluto). A huge number of them (perhaps trillions) would have been ejected from the solar system into a vast cloud of objects as many as 50,000 AU from the Sun, from which the long-period comets are seen to come from today. This reservoir of comets is called the Oort Cloud, and we will discuss it more later.

We conclude that our earlier picture of a static, well-behaved solar system, where the planets are formed as we see them today, is no longer tenable. Instead, planets can migrate inward and outward, causing all manner of havoc to the remaining unaccreted planetesimals.

This ends our discussion of the formation of the solar system. We will now go on to discuss the individual components of our solar system in some detail, getting to know these strange worlds that are our neighbors in space.


Why Does the Earth Rotate?

Every day, the Earth spins once around its axis, making sunrises and sunsets a daily feature of life on the planet. It has done so since it formed 4.6 billion years ago, and it will continue to do so until the world ends — likely when the sun swells into a red giant star and swallows the planet. But why does it rotate at all?

The Earth formed out of a disk of gas and dust that swirled around the newborn sun. In this spinning disk, bits of dust and rock stuck together to form the Earth, according to Space.com, a sister site of Live Science. As it grew, space rocks continued colliding with the nascent planet, exerting forces that sent it spinning, explained Smadar Naoz, an astrophysicist at the University of California, Los Angeles. Because all the debris in the early solar system was rotating around the sun in roughly the same direction, the collisions also spun the Earth — and most everything else in the solar system — in that direction. [Photo Timeline How the Earth Formed]

But why was the solar system spinning in the first place? The sun, and the solar system, formed when a cloud of dust and gas collapsed due to its own weight. Most of the gas condensed to become the sun, while the remaining material went into the surrounding, planet-forming disk. Before it collapsed, the gas molecules and dust particles were moving all over the place, but at a certain point, some gas and dust happened to shift a bit more in one particular direction, setting its spin in motion. When the gas cloud then collapsed, the cloud's rotation sped up — just as figure skaters spin faster when they tuck their arms and legs in.

Because there isn't much in space to slow things down, once something starts rotating, it usually keeps going. The rotating baby solar system in this case had lots of what's called angular momentum, a quantity that describes the object's tendency to keep spinning. As a result, all the planets likely spun in the same direction when the solar system formed.

Today, however, some planets have put their own spin on their motion. Venus rotates in the opposite direction as Earth, and Uranus' spin axis is inclined 90 degrees. Scientists aren't sure how these planets got this way, but they have some ideas. For Venus, maybe a collision caused its rotation to flip. Or maybe it began rotating just like the other planets. Over time, the sun's gravitational tug on Venus' thick clouds, combined with friction between the planet's core and mantle, caused the spin to flip. A 2001 study published in Nature suggested that gravitational interactions with the sun and other factors might have caused Venus' spin to slow down and reverse.

In the case of Uranus, scientists have suggested that collisions — one huge crash with a big rock or maybe a one-two punchwith two different objects — knocked it off kilter, Scientific American reported.

Despite these kinds of disturbances, everything in space rotates in one direction or another. "Rotating is a fundamental behavior of objects in the universe," Naoz said.

Asteroids rotate. Stars rotate. Galaxies rotate (it takes 230 million years for the solar system to complete one circuit around the Milky Way, according to NASA). Some of the fastest things in the universe are dense, whirling objects called pulsars, which are the corpses of massive stars. Some pulsars, which have a diameter about the size of a city, can spin hundreds of times per second. The fastest one, announced in Science in 2006 and dubbed Terzan 5ad, rotates 716 times per second.

Black holes can be even faster. One, called GRS 1915+105, may be spinning anywhere between 920 and 1,150 times per second, a 2006 study in the Astrophysical Journal found.

But things slow down, too. When the sun formed, it spun once around its axis every four days, Naoz said. But today, it takes about 25 days for the sun to spin once, she said. Its magnetic field interacts with the solar wind to slow its rotation, Naoz said.

Even Earth's rotation decelerates. Gravity from the moon pulls on Earth in a way that ever so slightly slows it down. A 2016 analysis in the journal Proceedings of the Royal Society A of ancient eclipses showed that Earth's rotation slowed by 1.78 milliseconds over a century.

So, while the sun will rise tomorrow, it just may be a tad late.

Editor's Note: This story was updated to remove an incorrect calculation. Earth's rotation did not slow down by 6 hours over the last 2,740 years.


Earth Rotation

Atmospheres are found on the Sun, 8 planets, and 7 of the 60-odd satellites, for a total count of 16—in addition to the atmospheres that exist around the ∼200 known gas giant planets orbiting other stars. Each has its own brand of weather and its own unique chemistry. They can be divided into two major classes: the terrestrial-planet atmospheres, which have solid surfaces or oceans as their lower boundary condition, and the gas giant atmospheres, which are essentially bottomless. Venus and Titan form one terrestrial subgroup that is characterized by a slowly rotating planet, and interestingly, both exhibit a rapidly rotating atmosphere. Mars, Io, Triton, and Pluto form a second terrestrial subgroup that is characterized by a thin atmosphere, which in large measure is driven by vapor-pressure equilibrium with the atmosphere's solid phase on the surface. Both Io and Triton have active volcanic plumes. Earth's weather turns out to be the most unpredictable in the solar system. Part of the reason is that its mountain ranges frustrate the natural tendency for winds to settle into steady east–west patterns, and a second reason is that its atmospheric eddies, the fluctuating waves and storm systems that deviate from the average, are nearly as big as the planet itself and as a result strongly interfere with each other. [Voir Venus: Atmosphere Io: The Volcanic Moon Triton and Pluto.]

Earth has many planetary attributes that are important to the study of its atmosphere and oceans, and conversely there are several ways in which its physically and chemically active fluid envelope directly affects the solid planet. Earth orbits the Sun at a distance of only 108 times the diameter of the Sun. The warmth from the Sun that Earth receives at this distance, together with a 30 K increase in surface temperature resulting from the atmospheric greenhouse effect, is exactly what is needed for H2O to appear in all three of its phases. This property of the semimajor axis of Earth's orbit is the most important physical characteristic of the planet that supports life. (One interesting consequence is that Earth is the only planet in the solar system where one can ski.)

Orbiting the Sun at just over 100 Sun diameters is not as close as it may sound a good analogy is to view a basketball placed just past first base while standing at home plate on a baseball diamond. For sunlight, the Sun-to-Earth trip takes 499 s or 8.32 min. Earth's semimajor axis, une3 = 1.4960 × 10 11 m = 1 AU (astronomical unit), and orbital period, τ3 = 365.26 days = 1 year, where the subscript 3 denotes the third planet out from the Sun, are used as convenient measures of distance and time. When the orbital period of a body encircling the Sun, τ, is expressed in years, and its semimajor axis, a, is expressed in AU, then Kepler's third law is simply τ = a 3 / 2 , with a proportionality constant of unity. [Voir Solar System Dynamics: Regular and Chaotic Motion.]

1.1 Length of Day

The Earth's rotation has an enormous effect on the motions of its fluid envelope that accounts for the circular patterns of large storms like hurricanes, the formation of western boundary currents like the Gulf Stream, the intensity of jet streams, the extent of the Hadley cell, and the nature of fluid instabilities. All of these processes are thoroughly discussed in Sections 2–5. Interestingly, the reverse is also true: The Earth's atmosphere and oceans have a measurable effect on the planet's rotation rate. For all applications but the most demanding, the time Earth takes to turn once on its axis, the length of its day, is adequately represented by a constant value equal to 24 hours or 1440 minutes or 86,400 seconds. The standard second is the Système International (SI) second, which is precisely 9,192,631,770 periods of the radiation corresponding to the transition between two hyperfine levels of the ground state of the 133 Cs atom. When the length of day is measured with high precision, it is found that Earth's rotation is not constant. The same is likely to hold for any dynamically active planet. Information can be obtained about the interior of a planet, and how its atmosphere couples with its surface, from precise length-of-day measurements. Earth is the only planet to date for which we have achieved such accuracy, although we also have high-precision measurements of the rotation rate of pulsars, the spinning neutron stars often seen at the center of supernova explosions.

The most stable pulsars lose only a few seconds every million years and are the best-known timekeepers, even better than atomic clocks. In contrast, the rotating Earth is not an accurate clock. Seen from the ground, the positions as a function of time of all objects in the sky are affected by Earth's variable rotation. Because the Moon moves across the sky relatively rapidly and its position can be determined with precision, the fact that Earth's rotation is variable was first realized when a series of theories that should have predicted the motion of the Moon failed to achieve their expected accuracy. In the 1920s and 1930s, it was established that errors in the position of the Moon were similar to errors in the positions of the inner planets, and by 1939, clocks were accurate enough to reveal that Earth's rotation rate has both irregular and seasonal variations.

The quantity of interest is the planet's three-dimensional angular velocity vector as a function of time, Ω(t). Since the 1970s, time series of all three components of Ω(t) have been generated by using very long baseline interferometry (VLBI) to accurately determine the positions of quasars and laser ranging to accurately determine the positions of man-made satellites and the Moon, the latter with corner reflectors placed on the Moon by the Apollon astronauts. [Voir Planetary Exploration Missions.]

The theory of Earth's variable rotation combines ideas from geophysics, meteorology, oceanography, and astronomy. The physical causes fall into two categories: those that change the planet's moment of inertia (like a spinning skater pulling in her arms) and those that torque the planet by applying stresses (like dragging a finger on a spinning globe). Earth's moment of inertia is changed periodically by tides raised by the Moon and the Sun, which distort the solid planet's shape. Nonperiodic changes in the solid planet's shape occur because of fluctuating loads from the fluid components of the planet, namely, the atmosphere, the oceans, and, deep inside the planet, the liquid iron–nickel core. In addition, shifts of mass from earthquakes and melting ice cause nonperiodic changes. Over long timescales, plate tectonics and mantle convection significantly alter the moment of inertia and hence the length of day.

An important and persistent torque that acts on Earth is the gravitational pull of the Moon and the Sun on the solid planet's tidal bulge, which, because of friction, does not line up exactly with the combined instantaneous tidal stresses. This torque results in a steady lengthening of the day at the rate of about 1.4 ms per century and a steady outward drift of the Moon at the rate of 3.7 ± 0.2 cm/year, as confirmed by lunar laser ranging. On the top of this steady torque, it has been suggested that observed 5 ms variations that have timescales of decades are caused by stronger, irregular torques from motions in Earth's liquid core. Calculations suggest that viscous coupling between the liquid core and the solid mantle is weak, but that electromagnetic and topographic coupling can explain the observations. Mountains on the core–mantle boundary with heights around 0.5 km are sufficient to produce the coupling and are consistent with seismic tomography studies, but not much is known about the detailed topography of the core–mantle boundary. Detailed model calculations take into account the time variation of Earth's external magnetic field, which is extrapolated downward to the core–mantle boundary. New improvements to the determination of the magnetic field at the surface are enhancing the accuracy of the downward extrapolations.

Earth's atmosphere causes the strongest torques of all. The global atmosphere rotates faster than the solid planet by about 10 ms −1 on average. Changes in the global circulation cause changes in the pressure forces that act on mountain ranges and changes in the frictional forces between the wind and the surface. Fluctuations on the order of 1 ms in the length of day, and movements of the pole by several meters, are caused by these meteorological effects, which occur over seasonal and interannual timescales. General circulation models (GCMs) of the atmosphere routinely calculate the global atmospheric angular momentum, which allows the meteorological and nonmeteorological components of the length of day to be separated. All the variations in the length of day over weekly and daily timescales can be attributed to exchanges of angular momentum between Earth's atmosphere and the solid planet, and this is likely to hold for timescales of several months as well. Episodic reconfigurations of the coupled atmosphere–ocean system, such as the El Niño-Southern Oscillation (ENSO), cause detectable variations in the length of day, as do changes in the stratospheric jet streams.


Planet Formation: Evolution vs. Revelation

Evolutionary ideas of planetary formation are fraught with problems. Man’s ideas about the origin of the solar system have changed, and they will continue to change. However, the Word of God does not change. While the Bible does not tell us much about how the solar system came into being, it does give us some information about when the earth and the rest of the solar system came into existence. The Christian has confidence that what God has revealed to us is true, so we ought to compare man’s ideas to the revealed truth. The current thinking of solar system formation disagrees with the Genesis creation account, so we know that it is not correct.


Voir la vidéo: les vraies images des planètes du Système Solaire (Novembre 2022).