Nice-model

Die Nice-model is ’n scenario vir die evolusie van die Sonnestelsel. Dit is genoem na die ligging van die Observatoire de la Côte d'Azur in Nice, Frankryk, waar dit aanvanklik ontwikkel is. Daarvolgens het die groot gasplanete uit ’n aanvanklik kompakter stelsel na hul huidige posisies migreer, lank ná die opklaring van die aanvanklike protoplanetêre gasskyf. Dit verskil van vroeëre modelle oor die vorming van die Sonnestelsel. 

Hierdie planetêre migrasie word gebruik as verduideliking van historiese gebeure soos die Groot Bombardement van die binneste planete, die ontstaan van die Oort-wolk en die bestaan van groepe of gordels klein liggame soos die Kuiper-gordel, trojane  en trans-Neptunus-voorwerpe. Omdat dit baie kenmerke van die Sonnestelsel verduidelik, word dit wyd aanvaar as die huidige mees realistiese model vir die Sonnestelsel se vroeë evolusie,  hoewel alle planetêre wetenskaplikes dit nie steun nie. 

duimnael|500px|’n Voorstelling van die buitenste planete en die planetesimale skyf: a) vroeë posisies, voordat Jupiter en Saturnus in ’n baanresonansie van 2:1 getree het; b) die verstrooing van planetesimale na die binneste Sonnestelsel ná die wentelbaanverskuiwing van Neptunus (donkerblou) en Uranus (ligblou); c) nadat die planetesimale deur die planete verstrooi is.

 Beskrywing 
Die oorsprong van die Nice-model is drie geskrifte wat in 2005 in die wetenskaptydskrif Nature gepubliseer is deur ’n groep internasionale wetenskaplikes: Rodney Gomes, Hal Levison, Alessandro Morbidelli en Kleomenis Tsiganis. Hierin het die viertal voorgestel dat, ná die opklaring van die gas en stof van die protoplanetêre skyf van die vroegste Sonnestelsel, die vier gasplanete (Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus) eers in feitlik sirkelvormige wentelbane was tussen sowat 5,5 en 17 astronomiese eenhede (AE), baie nader aan mekaar en meer kompak as nou. ’n Groot, digte skyf van klein rotsagtige en ysige planetesimale wat saam sowat 35 aardmassas was, het van die wentelbaan van die buitenste planeet af tot by sowat 35 AE gestrek.

Wetenskaplikes weet so min van die vorming van Uranus en Neptunus dat Levison gesê het "...die moontlikhede oor die vorming van Uranus en Neptunus is feitlik oneindig."   Daar is egter voorgestel dat die evolusie van die planetêre stelsel soos volg verloop het:

Voorwerpe aan die binneste rand van die planetesimale skyf word deur die swaartekrag van die heel buitenste planeet beïnvloed, en dit verander hul wentelbane. Die planeet verstrooi die meeste van die klein ysliggame na binne; die ysliggame se hoekmomentum verander weer dié van die planeet en laasgenoemde beweeg in reaksie daarop na buite om so die hoekmomentum van die hele stelsel te handhaaf. Dieselfde proses word met die volgende planete herhaal, en so beweeg Saturnus, Uranus en Neptunus al hoe verder van die middel af weg. Ondanks die klein beweging wat die verandering van elke hoekmomentum kan teweegbring, veroorsaak die gesamentlike invloed van die planetesimale groot veranderings in hierdie planete se wentelbane. Hierdie proses duur voort totdat the planetesimale in wisselwerking tree met Jupiter, die binneste en grootste planeet. Jupiter se enorme swaartekrag stuur hulle in hoogs elliptiese wentelbane of werp hulle selfs heeltemal uit die Sonnestelsel. 

Ná verskeie honderdmiljoene jare van ’n stadige, geleidelike migrasie tree Jupiter en Saturnus, die binneste gasreuse, in ’n baanresonansie van 1:2. Dié resonansie vergroot die eksentrisiteit van hul wentelbane en destabiliseer so die hele planetêre stelsel. Die rangskikking van die gasreuse verander nou vinnig en drasties. Jupiter stoot Saturnus weg tot na sy huidige posisie, en hierdie migrasie veroorsaak wedersydse swaartekraginvloede tussen Saturnus en die twee ysreuse Neptunus en Uranus, wat hulle in meer eksentrieke wentelbane stuur. Die twee ysreuse ploeg nou in die planetesimale skyf in en skiet tienduisende planetesimale uit hul vorige stabiele wentelbane in die buitenste Sonnestelsel. Hierdie versteuring verstrooi die skyf feitlik heeltemal en verwyder 99% van sy massa, ’n scenario wat die huidige gebrek aan ’n digte trans-Neptunus-bevolking verduidelik. Van die planetesimale word na die binneste Sonnestelsel verstrooi, en dit veroorsaak ’n skielike toename in botsings met die rotsplanete: die Groot Bomardement. Hierna bereik die groot planete hul huidige posisie en wrywing met die oorblywende planetesimale skyf verkein hul eksentrisiteit en maak hul wentelbane weer sirkelvormig.

In sowat 50% van die aanvanklike modelle van Tsiganis en sy kollegas ruil Neptunus en Uranus ook plekke om. Dit sou egter net in sekere omstandighede moontlik gewees het.

 Sonnestelsel-kenmerke 
Dinamiese modelle van die Sonnestelsel se evolusie verskil in die begintoestande wat veronderstel word, en dit veroorsaak ’n verskil in die grootte van die groepe hemelliggame wat in elke model voorspel word. Omdat dit onmoontlik is om een regte model te skep omdat die Sonnestelsel se evolusie nie waargeneem kan word nie, kan die sukses van ’n spesifieke model gemeet word deur die voorspelde grootte van groepe hemelliggame in die model te vergelyk met toestande soos dit werklik vandag bestaan – en dit kan wel waargeneem word. Op die oomblik het die begintoestande soos in die Nice-model veronderstel word, die getrouste ooreenstemming met die huidige Sonnestelsel tot gevolg.

 Die Groot Bombardement 
Hoofartikel: Groot Bombardement.
Die rekord van kraters op die maan en rotsplanete is een van die belangrikste bewyse vir die Groot Bombardement: ’n toename in botsings tussen die binneste planete en asteroïdes en/of komete sowat 600 miljoen jaar ná die vorming van die Sonnestelsel. Die getal planetesimale wat die maan in die Nice-model sou getref het, stem ooreen met die kraterrekord.

 Trojane en die asteroïdegordel 
In die tyd van wentelbaanversteurings nadat Jupiter en Saturnus in ’n resonansie van 2:1 getree het, sou die gesamentlike swaartekraginvloed van die migrerende reuseplanete enige bestaande trojaangroepe by Jupiter en Neptunus se Lagrange-punte L4 en L5 gedestabiliseer het. Die trojaanstreek in dié tyd word "dinamies oop" genoem. Volgens die Nice-model het die planetesimale wat die versteurde skyf verlaat het, hierdie streek in groot getalle gekruis en tydelik daar gebly. Ná die tydperk van wentelbaan-onstabiliteit was die trojaanstreek "dinamies geslote", en so is planetesimale wat op daardie tydstip in die streek was, daar vasgevang. Die huidige groepe trojane is dus die verstrooide planetesimale van die oudste asteroïdegordel. Hierdie gesimuleerde trojaangroepe stem ooreen met die librasiehoek, eksentrisiteit en groot inklinasies van die Jupiter-trojane se wentelbane. Voorheen het hul inklinasies nie vir sterrekundiges sin gemaak nie.

Die Nice-model voorspel ook die toestande van die Neptunus-trojane korrek.

’n Groot getal planetesimale sou ook in die buitenste asteroïdegordel vasgevang gewees het, op afstande van groter as 2,6 AE, en in die streek van die Hilda-familie asteroïdes. Die planetesimale wat vasgevang is, sou hierna gebots en erosie ondergaan het; so sou hulle in al hoe kleiner stukkies gebreek het totdat 90% van hulle deur die sonwind en YORP-effek verwyder is, volgens Bottke en kollegas. Die gesimuleerde verstrooing ná hierdie erosie stem ooreen met huidige waarnemings. Dit dui daarop dat die Jupiter-trojane, Hilda-asteroïdes en dele van die buitenste asteroïdegordel, almal van spektraaltipe D, oorblyfsels is van die planetesimale wat so vasgevang is en erosie ondergaan het. Dit sluit moontlik ook die dwergplaneet Ceres in.

 Vorming van die Kuiper-gordel 
Die migrasie van die buitenste planete is ook nodig om die bestaan en eienskappe van die buitenste streke van die Sonnestelsel te verduidelik. Die Kuiper-gordel was aanvanklik baie digter en nader aan die Son, met sy buitenste rand sowat 30 AE. Sy binneste rand sou net buite die wentelbane van Uranus en Neptunus gewees het – hulle was ook baie nader aan die Son toe hulle gevorm het, moontlik sowat 15–20 AE, en Uranus sou verder van die Son af gewees het as Neptunus.

Sommige van die voorwerpe in die verstrooide skyf, insluitende Pluto, het in baanresonansies met Neptunus getree vanweë die planeet se swaartekrag.   Die Nice-model is veral gewild omdat dit die baanresonansies in die Kuiper-gordel verduidelik, veral die 2:5-resonansies. Toe Neptunus na buite migreer het, het dit nader na die voorwerpe in die proto-Kuiper-gordel beweeg; dit het van hulle in resonansies vasgevang en ander in chaotiese wentelbane gestuur. Daar word geglo die voorwerpe in die verstrooide skyf is na hul huidige posisies geskuif deur wisselwerkings met Neptunus se migrerende resonansies.

Die Nice-model verduidelik egter nie sekere eienskappe van die verspreiding nie. Hoewel dit beide die "warm" voorwerpe met hoë-inklinasie-wentelbane en die "koue" voorwerpe met lae-inklinasie-wentelbane verduidelik, voorspel dit ’n groter gemiddelde eksentrisiteit in die wentelbane van klassieke Kuiper-gordelvoorwerpe as wat tans waargeneem word (0,10–0,13 teenoor 0,07).

Die twee populasies het nie net verskillende wentelbane nie, maar hul kleur verskil ook; die kouer populasie is merkbaar rooier as die warm populasie, en dit dui daarop dat hul samestelling ook verskil en hulle op verskillende plekke gevorm het. Die warm populasie het vermoedelik nader aan Jupiter gevorm en is toe deur die bewegings van die gasreuse na buite gewerp. Die koue populasie het weer vermoedelik min of meer in hul huidige posisie gevorm, hoewel hulle ook volgens die Nice-model dalk later na buite gestuur is deur Neptunus tydens sy migrasie, want die planeet se wentelbaan sou toe tydelik meer eksentriek gewees het. Die Nice-model kan egter nie die gebrek aan grys voorwerpe in die koue populasie verduidelik nie; daar is ’n voorstel dat die kleurverskille ook deels kon ontstaan het vanweë evolusieprosesse en nie slegs vanweë hul aanvanklike samestelling nie.

 Verstrooide skyf en Oort-wolk 
Die voorwerpe wat deur Jupiter in hoogs elliptiese wentelbane verstrooi is, het die Oort-wolk gevorm; dié wat in ’n mindere mate deur die migrasie van Neptunus verstrooi is, word tans in die Kuiper-gordel en verstrooide skyf aangetref.

 Latere ontwikkeling van die model 
Die Nice-model is aansienlik aangepas sedert die eerste publikasie daarvan. Die aanvanklike toestande van die model is verander ná die bestudering van die gedrag van planete in ’n gasskyf. Die geleidelike migrasie van Jupiter en Saturnus sou byvoorbeeld ’n groter eksentrisiteit onder die binneste rotsplanete veroorsaak het as wat die geval is, en ook die eienskappe van die asteroïdegordel sou anders daar uitgesien het. 

In die aanvanklike Nice-model sou die stadige beweging van Jupiter en Saturnus na hul resonansie van 2:1, wat nodig is om ooreen te stem met die Groot Bombardement, Mars weggeskiet en die binneste Sonnestelsel gedestabiliseer het. ’n Stapsgewyse verandering in Jupiter en Saturnus se wentelbane vanweë die swaartekraginvloed van ’n ysreus sou nodig gewees het om so ’n scenario te voorkom. Dit laat sommige wetenskaplikes voorspel daar was aanvanklik vyf reuseplanete en dat een van hulle tydens die tydperk van onstabiliteit uit die Sonnestelsel gewerp is.

 Verwysings 

 Eksterne skakels 

Animasie van die Nice-model
Solving solar system quandaries is simple: Just flip-flop the position of Uranus and Neptune
 15px Hierdie artikel is vertaal uit die Engelse Wikipedia

Kategorie:Ruimteverskynsels
Kategorie:Sonnestelsel