¿Por qué los planetas tienden a rotar en la misma dirección aunque se hayan formado a partir de asteroides rotos?

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Las inclinaciones axiales de los asteroides parecen variar aleatoriamente (avíseme si esta premisa es incorrecta), mientras que los planetas tienen una fuerte tendencia a rotar de la misma manera. Si los planetas se formaron por colisión de asteroides, ¿no debería la suma de las inclinaciones aleatorias resultar en una rotación planetaria aleatoria? Por supuesto, otros factores son importantes, como el ángulo y la velocidad de los impactos, el efecto YORP, la ruptura centrífuga y otras cosas, pero ¿cómo podría eso tener un efecto sistemático en la rotación?

Ceres se comporta con una inclinación de 4 °, pero el otro de los primeros asteroides descubiertos tiene inclinaciones como 84 °, 50 °, 42 °. Las partículas de polvo (y las moléculas de gas si corresponde) seguramente rotan al azar. La nebulosa solar tenía un giro neto que la gravedad y la fricción se han manifestado en las órbitas de los planetas. Pero, ¿no debería ser la red de rotación individual para cada planeta, con inclinaciones no correlacionadas, como lo es la orientación orbital para cada estrella?

planet asteroids rotation planetary-formation LocalFluff
fuente

Supongo que la inclinación orbital debería considerarse además de la inclinación axial.

LocalFluff

Uno de mis pequeños videos favoritos relacionados con esto: youtube.com/watch?v=tmNXKqeUtJM

userLTK

Similar: astronomy.stackexchange.com/questions/6183/…

BowlOfRed

13

Tienes razón en que la inclinación de los asteroides se distribuye de manera muy aleatoria, y que la rotación de la nebulosa solar es un contribuyente menor a esa inclinación, y solo la sesga un poco.

Sin embargo, no tiene razón en que la aleatoriedad simplemente se suma. De hecho, la aleatoriedad se cancela cada vez más cuando combina una gran cantidad de asteroides, hasta que la rotación de la nebulosa se convierte en el factor dominante. Esto está relacionado con la Ley de grandes números .

Por ejemplo, tira un dado. El resultado es al azar. Lanza 10 dados, calcula su suma y divide entre 10. ¿Ya no estás tan lejos del promedio? Puedes hacer lo mismo con miles de dados o millones de asteroides. Cuando el número de asteroides que forman un objeto es realmente alto, la inclinación no va a estar muy lejos del valor promedio, determinado por la rotación de la nebulosa.

El mismo argumento se aplica a la inclinación, y al hecho de que, aunque las órbitas de los planetas son elípticas, no están tan lejos de ser circulares como una órbita aleatoria.

SE - deja de despedir a los buenos
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Pero la ley de los grandes números se suma a un promedio. Lanzar planetas como dados no se sumaría a la rotación de ningún planeta en promedio. ¿No es extraño que el dado muestre un número par de puntos casi todo el tiempo? Si la rotación de la nebulosa afecta la rotación de cada planeta, pero no la de los asteroides, entonces necesito más explicaciones para entender cómo es eso. ¿Existe alguna relación entre la rotación de la nebulosa solar y la rotación de los planetas individuales formados dentro de ella?

LocalFluff

3

@LocalFluff ¡Que el promedio del movimiento aleatorio será cero es mi punto! La rotación resultante se debe al único componente no aleatorio, la rotación de la nebulosa solar.

SE - deja de despedir a los buenos

Esa sería la explicación más sensata, pero aún bastante breve. ¿Cómo afecta sistemáticamente la rotación de la nebulosa solar a todos y cada uno de los planetas individuales que se forman en ella de la misma manera? ¿No deberían la mitad de los planetas haber sido impactados de una manera que los volcó?

LocalFluff

1

Odio hacer trampas, pero tu tercer párrafo mezcla mucho la palabra dados. "tirar un dado" debería ser "tirar un dado ", y "dados" no es una palabra, la forma plural apropiada es "dados". Traté de sugerir una edición pero no había suficientes caracteres para contar.

Cody

2

Tengo que estar de acuerdo con LocalFluff aquí. Se detuvo justo antes de responder realmente la pregunta al describir cómo la "rotación no aleatoria de la nebulosa solar" realmente hace que los planetas giren como lo hacen. Si su argumento es que los asteroides que se combinan aleatoriamente se combinan con el promedio, entonces, en promedio, los asteroides giran con el disco y la pregunta sigue siendo cómo llegaron a rotar de esa manera (en promedio). Simplemente cambiaste la pregunta a un reino diferente, pero no respondiste.

zephyr

3

Recuerde que en un disco protoplanetario la velocidad de rotación , que es kepleriana, ya que la distancia de la estrella r varía como Esto debería servir para ilustrar parte del punto: en cualquier tenemos y . Por lo tanto, visto desde la posición del planeta, el gas y el polvo 'a la izquierda' fluyen sistemáticamente más rápido, y 'a la derecha' fluyen sistemáticamente más lentamente que el planeta. Por lo tanto, si aumentara una fracción sustancial de su masa final total y, por lo tanto, de un momento angular de este flujo, induciría un giro sistemático automáticamente. $v_r$

v_{r} (r) = \sqrt{\frac{G M}{r}} (1)

$v_r(r) = \sqrt{\frac{GM}{r}} ~ ~~~~~~~~~~~~ (1)$

r < r_{0}

$r<r_0$

v_{r} > v_{r} (r_{0})

$v_r>v_r(r_0)$

¿Pero cuándo es esto relevante?
La región desde la cual un protoplaneta o asteroide puede acrecentarse es su esfera de influencia gravitacional, también la esfera de Hill con radio donde como arriba, es una distancia de eje semi-mayor.

r_{H} = r_{0} \sqrt[3]{\frac{m_{p l a n e t}}{3 m_{s t a r}}} (2)

$r_H = r_0 \sqrt[3]{\frac{m_{planet}}{3 m_{star}}} ~~~~~~~~~(2)$

r_{0}

$r_0$

Ahora bien, si este es demasiado pequeño para sentir los gradientes de velocidad en (1), o dicho de otra manera, si el objeto no es lo suficientemente masivo como para que extienda significativamente en el disco protostelar, entonces el acrecimiento acumulará momentos aleatorios. Si el protoplaneta logra crecer hasta convertirse en una esfera Hill sustancial, comienza a acumular gases y sólidos con una gran diferencia de velocidad , que siempre es sistemática, en lugar de aleatoria. $r_H$ $r_H$
$v_r(r)-v_r(r_0)$

TL; DR Los objetos pequeños, más o menos por debajo del tamaño de los asteroides, acumulan impulsos de momentos aleatorios. Los objetos masivos, protoplanetarios y superiores, aumentan las diferencias de velocidad sistemáticas, lo que les da un momento angular neto.

AtmosphericPrisonEscape
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¿Puede estar seguro de que el disco protoplanetario es Keplerian? Tienes una fuente? Como señala LocalFluff , eso dará como resultado una rotación diferencial del disco (más rápido cuanto más cerca esté) que debería dar como resultado que las rotaciones se alineen en sentido opuesto a la revolución del disco. El disco es un objeto extendido con muchas fuerzas en competencia además de una fuerza de gravedad central y creo que decir que es Keplerian es una aproximación muy aproximada en el mejor de los casos.

zephyr

Ciertamente, puedo estar de acuerdo en que para el momento en que se establezca el disco, estas otras fuerzas deberían ser insignificantes y serán muy cercanas a Keplerian, pero para ese punto, los protoplanetas probablemente ya tengan sus direcciones finales de giro (salvo cualquier colisión importante).

zephyr

@zephyr: Absolutamente equivocado sobre las escalas de tiempo. ¿Por qué sería eso? El disco Keplerian se establece en una escala de tiempo de caída libre junto con la estrella central. A partir de entonces, entre el nacimiento de los planetas y la disipación del disco a una edad de 1-10 años, está cerca de Keplerian. Estoy de acuerdo en que el disco no es perfectamente kepleriano, ya que hay gradientes de presión en el juego, pero estos representan un pequeño porcentaje de sub-keplerianidad. Para el momento angular planetario, debe considerar el momento relativo, por lo que el argumento de LocalFluff es incorrecto.

AtmosphericPrisonEscape

2

Conservación del momento angular. El giro del disco protoplanetario se determinará aleatoriamente cuando se forma inicialmente, pero luego se convierte en el factor dominante. La materia en el disco está entonces orbitando el centro de masa en la misma dirección, incluso cuando se agrupa en asteroides y luego en protoplanetas. A pesar de que los objetos tienen su propio giro individual, todos tienen el mayor efecto del disco que los influencia. Entonces, todos los planetas giran en la misma dirección, excepto Urano y Venus. Creo que la hipótesis para ellos sigue siendo una colisión protoplanetaria que ha golpeado a Urano de lado y a Venus de golpe.

GBowman
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¿No debería ser la tendencia a rotar en la dirección opuesta ya que la parte interna del disco (y el planeta) orbita más rápido que la externa?

LocalFluff

1

La conservación del momento angular conserva en gran medida el momento angular cuando las nebulosas planetarias gaseosas se condensan para formar planetas a pesar de la fricción y las colisiones. Esto se ilustra a continuación.

El momento angular de los cuerpos en nuestro sistema solar se da en http://www.zipcon.net/~swhite/docs/astronomy/Angular_Momentum.html

No son constantes, pero los planetas gaseosos son del mismo orden de magnitud. Momento angular orbital Cuerpo radio orbital (km) período orbital (días) masa (kg) L

Mercurio 58.e6 87.97 3.30e23 9.1e38

Venus 108.e6 224.70 4.87e24 1.8e40

Tierra 150.e6 365.26 5.97e24 2.7e40

Marte 228.e6 686.98 6.42e23 3.5e39

Júpiter 778.e6 4332.71 1.90e27 1.9e43

Saturno 1429.e6 10759.50 5.68e26 7.8e42

Urano 2871.e6 30685.00 8.68e25 1.7e42

Neptuno 4504.e6 60190.00 1.02e26 2.5e42

Son de orden e ^ 43. (Marte tiene menos momento angular. Algunos pueden haberse distribuido al cinturón de asteroides).

¡Cada planeta exterior parece llevar el mismo momento angular!

Originalmente pensé que Surya Siddhanta usaba la constancia del momento angular, pero es aún más simple. Es simplemente una teoría del quitanieves que hace que las órbitas más grandes recojan más partículas. Vea "¿Cómo encontraron los autores de Surya Siddhanta los diámetros de otros planetas en el sistema solar?"

Estoy dando esta tabla para ilustrar la constancia del momento angular, incluso en nuestro sistema solar, presumiblemente condensado de la nebulosa solar primordial, un hecho que los antiguos podrían haber utilizado para determinar los diámetros planetarios. La constancia del momento angular requiere que los planetas giren y orbiten alrededor del Sol (o el centro de masa).

Si hubo un momento angular para empezar, se entiende. Cualquier gran masa de gas o nebulosa formará remolinos eventualmente por turbulencia con rotaciones en direcciones opuestas a medida que las rotaciones surgen naturalmente (por inestabilidad de fluidos). Si cada parte se condensa en una estrella (y sistema solar) ocurrirán sistemas planetarios.

Nuestro sistema solar puede haberse formado con otro mecanismo que es una estrella que pasa y que imparte impulso angular a la nebulosa solar original.

Los cuerpos a gran escala también se condensan en galaxias (por ejemplo) y deben tener agujeros negros en sus centros para atrapar el momento angular. El momento angular no puede ser destruido.

Deseo agregar esto, el momento angular rotacional de todos los cuerpos.

Momento angular rotacional, L

Cuerpo / masa kg / radio (km) período de rotación (días) / L

Sol / 695000 /24.6 /1.99e30 /1.1e42

Tierra / 6378 /0.99 /5.97e24 /7.1e33

Júpiter / 71492 /0.41 /1.90e27 /6.9e38

Tenga en cuenta que el momento angular rotacional del Sol es también e ^ 42. Los momentos angulares de giro de todos los planetas son pequeños en comparación con los momentos angulares orbitales.

¡Los planetas exteriores y el Sol tienen los mismos momentos angulares!

¿Algún tipo de equipartición de momentos angulares en el trabajo?

Partha Shakkottai
fuente

¿Por qué los planetas tienden a rotar en la misma dirección aunque se hayan formado a partir de asteroides rotos?

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