Den här bilden av Ceres uppskattar hur dvärgplanetens färger skulle se ut för ögat. Kredit:NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA
När den sicilianske astronomen Giuseppe Piazzi såg Ceres 1801 trodde han att det var en planet. Astronomer visste inte om asteroider vid den tiden. Nu vet vi att det finns en enorm mängd av dem, främst i det huvudsakliga asteroidbältet mellan Mars och Jupiter.
Ceres är cirka 1 000 km i diameter och står för en tredjedel av massan i huvudasteroidbältet. Det dvärgar de flesta av de andra kropparna i bältet. Nu vet vi att det är en planet – om än en dvärg – även om dess grannar mestadels är asteroider.
Men vad gör en dvärgplanet i asteroidbältet?
En ny forskningsartikel ger svaret:Ceres bildades inte i asteroidbältet. Den bildades längre ut i solsystemet och vandrade sedan till sin nuvarande position. Det här är inte den första studien som kommer fram till den slutsatsen, men den ger tyngd åt idén.
Artikeln är "Dynamical Origin of the Dwarf Planet Ceres", och den är publicerad i tidskriften Icarus . Huvudförfattare är Rafael Ribeiro de Sousa, fysikprofessor vid Sao Paulo State University i Brasilien. Andra medförfattare kommer från samma universitet och Frankrike och USA
(Obs:Ceres kallas en dvärgplanet, en protoplanet och ibland en asteroid. Ingen idé att hänga på den. Den klassades officiellt som en dvärgplanet 2006.)
Ceres är en av tre dvärgplaneter eller protoplaneter i asteroidbältet. De andra två är Vesta och Pallas. En fjärde stor kropp, Hygiea, är 434 km i diameter och kan också vara en dvärgplanet. Dessa fyra största kroppar utgör hälften av massan av asteroidbältet.
Det mesta av det vi vet om Ceres kommer från NASA:s Dawn-uppdrag. Dawn var den första rymdfarkosten som besökte två utomjordiska kroppar och den första som kretsade runt en dvärgplanet. Dawn besökte både Vesta och Ceres innan rymdfarkosten fick slut på bränsle i oktober 2018. Nu är det en övergiven bana i en stabil omloppsbana runt Ceres.
Terminologin och beskrivningarna av de största objekten i asteroidbältet kan vara förvirrande, men Ceres skiljer sig från de andra tre. Ceres är den enda kroppen i bältet som är tillräckligt massiv för att behålla en sfäroid form. Ceres har också en övergående atmosfär som kallas exosfär. Solljus sublimerar vattenis och ammoniakis till ånga, men dvärgplanetens gravitation är för svag för att hålla fast vid den. Detta är en viktig ledtråd till Ceres ursprung eftersom asteroider vanligtvis inte avger ånga.
Dessa är de fyra största objekten i asteroidbältet. Ceres är den enda som är tillräckligt massiv för att självgravitationen ska kollapsa den till en sfäroid form. Kredit:ESO/M. Kornmesser/Vernazza et al./MISTRAL-algoritm (ONERA/CNRS)
Förekomsten av ammoniak är också en ledtråd.
Kometer innehåller flyktiga isar som ammoniak som sublimerar när solen värmer dem. Det är det som skapar kometens svans och koma. Men kometer kommer från de kalla yttre områdena av solsystemet där de skulle ha samlat de flyktiga isarna. Eftersom Ceres har frusit flyktiga ämnen som en komet, tyder det på att det också har sitt ursprung i de kallare delarna av solsystemet.
"Närvaron av ammoniakis är starka observationsbevis för att Ceres kan ha bildats i den kallaste delen av solsystemet bortom frostlinjen, i temperaturer som är tillräckligt låga för att orsaka kondensation och sammansmältning av vatten och sådana flyktiga ämnen som kolmonoxid [CO] , koldioxid [CO2 ] och ammoniak [NH3], säger Ribeiro de Sousa i ett pressmeddelande.
Gränsen mellan det kallare yttre solsystemet och det varmare inre solsystemet kallas Frostlinjen. Det finns specifika frostlinjer för olika flyktiga ämnen som fryser vid olika temperaturer, men astrofysiker talar om en enda frostlinje för enkelhetens skull. Frostlinjen är nära Jupiters bana nu, men den har inte alltid funnits där. Det flyttas allteftersom solsystemet utvecklades. Solnebulosan var ogenomskinlig under de tidiga dagarna, och solens värme nådde inte så långt. Solen var också mindre energisk då, så frostgränsen låg närmare solen.
Föreningar som ammoniak kondenserar bortom solsystemets frostlinje. Eftersom Ceres innehåller ammoniak, bildades det troligen bortom frostgränsen. Kredit:NASA / JPL-Caltech, InvaderXan från http://supernovacondensate.net/.
Tillväxten av jätteplaneterna påverkade också frostlinjens position. "Den intensiva gravitationsstörningen som produceras av tillväxten av dessa planeter kan ha förändrat densiteten, trycket och temperaturen på den protoplanetära skivan, och förskjutit Frost Line. Denna störning i den protoplanetära gasskivan kan ha lett till att de expanderande planeterna migrerar till banor närmare solen när de förvärvade gas och fasta ämnen," sa medförfattaren Ernesto Vieira Neto.
"I vår artikel föreslår vi ett scenario för att förklara varför Ceres skiljer sig så mycket från angränsande asteroider. I det här scenariot började Ceres bildas i en omloppsbana långt bortom Saturnus, där ammoniak fanns i överflöd. Under jätteplanets tillväxtstadium drogs den in i asteroidbältet som en migrant från det yttre solsystemet och överlevde i 4,5 miljarder år tills nu, säger Ribeiro de Sousa.
Teamet körde ett stort antal datorsimuleringar för att testa idén. De simulerade bildandet av jätteplaneter inuti solens protoplanetariska skiva, inklusive Jupiter och Saturnus. De inkluderade också några embryonala planeter för att fungera som föregångare till Uranus och Neptunus. Sedan lade de till en grupp objekt med kompositioner och storlekar som liknar Ceres. Deras inkludering bygger på antagandet att Ceres är en av solsystemets tidiga planetesimaler, objekt på väg att bli fullfjädrade planeter.
"Våra simuleringar visade att det stora planetbildningsstadiet var mycket turbulent, med enorma kollisioner mellan föregångarna till Uranus och Neptunus, utstötning av planeter ur solsystemet och till och med invasion av det inre området av planeter med massor som är större än tre gånger jordens massa. massa. Dessutom spred den starka gravitationsstörningen objekt som liknar Ceres överallt. Vissa kan mycket väl ha nått området för asteroidbältet och skaffat sig stabila banor som kan överleva andra händelser," sa Ribeiro de Sousa.
Denna figur från studien visar de fyra steg som krävs för att implantera ett objekt som Ceres i asteroidbältet. Kredit:de Sousa et al.
Forskarna säger att det är fyra steg involverade i att ett Ceres-liknande föremål implanteras i asteroidbältet. Den första är en snabb radiell blandningsfas i positionen för planetesimalerna i den yttre planetesimalskivan. Den andra är när Ceres-kandidaten fångas i medelvägsresonans med gigantiska planeter. Det tredje steget är en kaotisk fas, där det Ceres-liknande föremålet kan möta andra "inkräktare" som kan öka eller minska dess excentricitet och sprida föremålet i mer stabila områden i det inre asteroidbältet. Den kaotiska fasen inkluderar även gasmotstånd och gasformig dynamisk friktion som kan förändra Ceres-kandidatens excentricitet och lutning och implantera den i sin nuvarande position. Den fjärde fasen är där gasen avlägsnas från den protoplanetära skivan, inkräktare avlägsnas, Ceres avlägsnas från medelrörelseresonans och implantationen blir stabil.
Teamets simuleringar visade också att Ceres bara är ett av många liknande objekt som fanns i solsystemets tidiga dagar. "Vårt huvudsakliga fynd var att det tidigare fanns minst 3 600 Ceres-liknande föremål bortom Saturnus omloppsbana. Med detta antal föremål visade vår modell att ett av dem kunde ha transporterats och fångats i asteroidbältet, i en omloppsbana. mycket lik Ceres nuvarande bana," sa Ribeiro de Sousa.
Det här är inte de första forskarna att komma med ett antal som 3 600 Ceres-liknande föremål. Andra har studerat kratrar och antalet objekt bortom Saturnus och i Kuiperbältet för att komma fram till sina resultat. Denna studie bekräftar tidigare resultat och stödjer vår förståelse av hur solsystemet bildades och utvecklades. "Vårt scenario gjorde det möjligt för oss att bekräfta antalet och förklara Ceres orbitala och kemiska egenskaper. Studien bekräftar noggrannheten hos de senaste modellerna av solsystemets bildande", sade han. + Utforska vidare
