Warum sind die Umlaufbahnen der Planeten im Sonnensystem nahezu kreisförmig?

Mit Ausnahme von Merkur haben die Planeten im Sonnensystem sehr kleine Exzentrizitäten .

Ist diese Eigenschaft speziell für das Sonnensystem? Wikipedia sagt :

Die meisten Exoplaneten mit Umlaufzeiten von 20 Tagen oder weniger haben nahezu kreisförmige Umlaufbahnen mit sehr geringer Exzentrizität. Es wird angenommen, dass dies auf die Gezeitenzirkulation zurückzuführen ist, ein Effekt, bei dem die Gravitationswechselwirkung zwischen zwei Körpern allmählich ihre orbitale Exzentrizität verringert. Im Gegensatz dazu haben die meisten bekannten Exoplaneten mit längeren Umlaufzeiten ziemlich exzentrische Umlaufbahnen. (Stand Juli 2010, 55 % dieser Exoplaneten haben Exzentrizitäten von mehr als 0,2, während 17 % Exzentrizitäten von mehr als 0,5 aufweisen. 1 ) Dies ist kein beobachtender Selektionseffekt, da ein Planet unabhängig von seiner Exzentrizität ungefähr gleich gut erkannt werden kann Orbit. Das Vorherrschen elliptischer Umlaufbahnen ist ein großes Rätsel, da aktuelle Theorien der Planetenentstehung stark darauf hindeuten, dass sich Planeten mit kreisförmigen (d. h. nicht exzentrischen) Umlaufbahnen bilden sollten.

Was ist das Besondere am Sonnensystem, dass die Umlaufbahnen der Planeten hier fast kreisförmig sind, aber anderswo mäßig oder stark exzentrisch?

Während es also eine seltsame Debatte darüber gibt, was ein Planet ist? Wie hier die Frage zu sein scheint, ist die Antwort meines Erachtens absurd einfach, nämlich "Planeten sind massiv" im physikalischen Sinne des Begriffs und trotz der scheinbar massiven Masse der Sonne. Als Beispiel dreht sich sogar der hier erwähnte Merkur um seine eigene Achse und ja, er hat etwas von einer Exzentrizität, obwohl er nichts mit dem zu tun hat, was Pluto hat. Der Punkt ist, dass alle Planeten eine Art Kern haben , der eine seltsam nahezu perfekte Kugelform erzeugt, und mit dieser Form kommt eine nahezu kreisförmige Umlaufbahn für Planetenkörper um die Sonne.

Antworten (6)

Dies war zuvor ein Kommentar zur Antwort von space_cadet, wurde aber lang (Abstimmung war ich jedoch nicht).

Ich verstehe das Gerede von space_cadet über instabile Umlaufbahnen nicht. Denken Sie daran, dass das Zweikörpersystem mit Coulomb-Wechselwirkung eine zusätzliche hat S Ö ( 3 ) Symmetrie und hat einen konservierten Laplace-Runge-Lenz-Vektor , der die Exzentrizität bewahrt. Da Wechselwirkungen zwischen Planeten selbst ziemlich vernachlässigbar sind, muss man woanders nach Erklärungen suchen. Nämlich in den Anfangsbedingungen des Sonnensystems.

Man kann sich einen langsam rotierenden großen Staubball vorstellen. Dadurch würde zur Sonne im Zentrum eine Scheibe (wegen Drehimpulserhaltung) mit Kreisbahnen zusammenbrechen und es würden sich Protoplaneten bilden, die auf ihren Bahnen den Staub ansammeln. Anfangs waren diese Planeten ziemlich nah und es fanden interessante Streuprozesse statt. Der letzte Teil des Puzzles ist jedoch ein Rätsel. Wenn im Sonnensystem immer noch eine große Menge Staub vorhanden wäre, würde dies die Umlaufbahnen bis zu dem Punkt dämpfen, an dem sie kreisförmiger würden als sie es heute sind. Die populärste Erklärung scheint zu sein, dass die Dämpfung der Exzentrizität durch kleinere Körper (wie Asteroiden) vermittelt wurde. Lesen Sie mehr in "Endstadien der Planetenentstehung" - Peter Goldreich, Yoram Lithwick, Re'em Sari .

Eine kurze Antwort ist, dass Dissipation (z. B. Staub, Gaswechselwirkungen mit Planetessimalen) gut darin ist, Energie aus einem System zu entfernen, aber keinen Drehimpuls. Kreisbahnen haben die minimale Energie für einen gegebenen Drehimpuls.

Bei kurzperiodischen Exoplaneten sind die Gezeitenkräfte des Sterns auf dem Planeten die primäre Form der Dissipation (ähnlich befindet sich der Mond auf einer nahezu kreisförmigen Umlaufbahn um die Erde, obwohl er sicherlich nicht so begonnen hat!)

Wenn ja, warum verlieren langperiodische Exoplaneten dann nicht durch die gleichen Mechanismen Energie?
Der Mond wäre mit hoher Wahrscheinlichkeit durch die Verschmelzung vieler kleiner orbitaler Trümmer (aus der angeblichen Kollision der Erde und einem großen Planitissimal) entstanden. Statistisch gesehen hätte seine frühe Umlaufbahn nicht annähernd kreisförmig sein müssen. Seitdem helfen Gezeiteneffekte nur, es weiter zu zirkulieren.
@mark: Gezeitenkräfte skalieren als 1 / R 3 , wo R ist die Entfernung zum Stern, so dass Planeten mit langer Periode keine Gezeitenableitung haben. Jede Trümmerscheibe wird sich jedoch wahrscheinlich auf kreisförmigen Umlaufbahnen niederlassen, sodass sich Planeten mit hoher Exzentrizität entweder (1) nicht aus einer Trümmerscheibe bilden oder (2) erhebliche Änderungen der Exzentrizität erfahren, wahrscheinlich aufgrund enger Begegnungen mit anderen Planeten. oder resonante Wechselwirkungen.
@OC: Ich dachte, die Kollision hätte einen großen Klumpen abgeschlagen, auf so etwas wie einer parabolischen Umlaufbahn, aber ich bin offen für Korrekturen.
Aber laut dem in der Frage verlinkten Wikipedia-Artikel haben <i>die meisten</i> Exoplaneten deutlich exzentrische Umlaufbahnen. Mit anderen Worten, das Sonnensystem ist irgendwie besonders. Ist Ihre Antwort, dass das Sonnensystem etwas Besonderes ist, weil es sich im Gegensatz zu anderen Sternensystemen aus einer Trümmerscheibe gebildet hat?
Dies ist eine faszinierende Antwort, aber angesichts der Tatsache, wie wenig andere Antworten damit übereinstimmen, wäre eine Referenz schön. Warum Exoplaneten nicht ganz so kreisförmig sind: Vielleicht gibt es eine Tendenz, wie wir Planeten erkennen? Das wäre eine ziemlich einfache Erklärung, wenn es stimmt.

Ich wollte nur die bereits geposteten Antworten mit ein paar Anmerkungen zu Exoplaneten-Exzentrizität ergänzen. Nach meinem Verständnis ist der Grund, warum Exoplaneten eine mittlere Exzentrizität von ~0,3 gegenüber fast kreisförmigen Umlaufbahnen im Sonnensystem haben, noch nicht ganz zufriedenstellend erklärt ( dieses Papier ist immer noch meine Lieblingssimulation, die versucht, den Ursprung von Exzentrizitäten anzugehen).

1) Die relative Bedeutung der Wechselwirkungen zwischen Scheibe und Planet und Planet und Planet ist noch nicht vollständig verstanden. Es ist nicht klar, ob die Migration vom Typ I/Typ II überhaupt eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der endgültigen Konfiguration spielt. Dies wird durch die kürzlich entdeckte Anzahl von Planetensystemen mit großer Neigung zur Äquatorebene des Sterns angezeigt.

2) Es gibt wahrscheinlich ein gewisses Maß an Verzerrung in e-Np-Histogrammen, da es eine Entartung zwischen exzentrischen Einzelplanetenlösungen und kreisförmigen Mehrplanetenlösungen für Radialgeschwindigkeitsbeobachtungen gibt. Siehe z. B. dieses Papier und andere:

Feststellung, dass (1) etwa 35 % der veröffentlichten exzentrischen Ein-Planeten-Lösungen > statistisch nicht von Planetensystemen in 2:1-Orbitalresonanz zu unterscheiden sind, (2) weitere 40 % statistisch nicht von einer kreisförmigen Orbitallösung unterschieden werden können und (3) Planeten mit erdähnlichen Massen könnten in bekannten Orbitallösungen exzentrischer Supererden und Neptun-Massenplaneten versteckt sein.

3) Planetesimale und Resonanzkreuzung haben an irgendeinem Punkt in der Geschichte des Sonnensystems eine wichtige Rolle gespielt bezüglich: der Exzentrizitätsentwicklung von Jupiter und Saturn (eine kürzlich erschienene Abhandlung darüber ). Warum dies zu geringen Exzentrizitäten im Sonnensystem führte, könnte in der relativen Konfiguration und dem Massenverhältnis von J & S, der spezifischen Masse in Planetesimalen in der Scheibe im Vergleich zu anderen protoplanetaren Scheiben usw. liegen.

4) Große Exzentrizitäten, insbesondere bei kleinen Planeten, führen tendenziell zu Instabilität und Streuung, daher ist die Berufung auf das anthropische Prinzip bis zu einem gewissen Grad nicht völlig ungerechtfertigt ...

Es könnte um die Fähigkeit oder Unfähigkeit gehen , Energie zu „definieren“, wie es Einstein auf ziemlich blasierte Weise tut. Wir nehmen an, dass Energie eine Form von Materie ist, aber aus Beobachtung wissen wir, dass das meiste, was wir „Raum“ nennen, nicht aus irgendeiner Materie besteht, wie wir den Begriff definieren. Kurz gesagt, um diese Frage zu beantworten, müssten Sie in erster Linie so explizit wie möglich definieren, was Sie unter „Energie“ verstehen, da wir sicherlich wissen, dass dieses mystische E eine Funktion von Masse mal Lichtgeschwindigkeit (im Quadrat!) Oder ist Etwas Großes ohne physische Erscheinung, Leuchtkraft, Form, Form usw.

Diese Eigenschaft wird wahrscheinlich von jedem anderen Planetensystem geteilt, das zur selben Klasse wie unseres gehört. Anthropologisch gesehen werden Umlaufbahnen mit höheren Elliptizitäten extremere Umgebungen haben und daher weniger wahrscheinlich Leben beherbergen. Was den physikalischen Grund betrifft, könnten Sie wohl ein thermodynamisches Argument vorbringen. Intuitiv scheint eine elliptische Umlaufbahn weiter vom Gleichgewicht entfernt zu sein als eine kreisförmige. Eine Ansammlung von Körpern, die einen Stern mit anfänglich hohen Elliptizitäten umkreisen, entspannt sich dann in einen Zustand, in dem die Umlaufbahnen immer weniger elliptisch sind. Das ist natürlich alles heuristisch.

Bearbeiten: Lassen Sie mich als Antwort auf die Kommentare von @Marek und @MSalters eine Klarstellung hinzufügen.

Bei einem Planeten mit etwas Exzentrizität e interagiert mit einem transienten Objekt (Asteriode etc.), welcher Prozess ist thermodynamisch wahrscheinlicher: dass die Exzentrizität des Planeten infolge der Wechselwirkung zunimmt oder abnimmt ? Der LRL-Vektor ist eine konservierte Größe, jedoch nicht, wenn sich das Objekt in einer verrauschten Umgebung befindet. Die Wechselwirkungen zwischen den Planeten selbst sind auch größer, wenn sie Umlaufbahnen mit hohen haben e . Wie sie langsam verlieren e Durch Streu- und Dämpfungsereignisse nimmt die gegenseitige Wechselwirkung ab, wenn die Umlaufbahnen kreisförmiger werden.

Dies würde erklären, warum die Umlaufbahn der Erde kreisförmig ist. Aber in Wirklichkeit sind die meisten Umlaufbahnen im Sonnensystem. Was das Gleichgewichtsargument betrifft, legt die Entropie nahe, dass die meisten Umlaufbahnen nicht kreisförmig sind. Es gibt viel mehr nicht kreisförmige Umlaufbahnen mit der gleichen Energie für die Art von Umlaufbahnen, über die wir im Sonnensystem sprechen (Sonne-Planet-Abstand ist viel größer als ihre kombinierten Radien).
@MSalters "Entropie legt nahe, dass die meisten Umlaufbahnen nicht kreisförmig sind" ... wieso?
@MSalters: Entropie sagt überhaupt nichts aus. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Systeme dazu neigen, einheitlicher zu werden. Aber welche Art von Einheitlichkeit das ist, hängt von den genauen Eigenschaften des Systems und den ihm auferlegten Beschränkungen ab.
Die Entropie legt nahe, dass, wenn bei der Energie E N Umlaufbahnen verfügbar sind, von denen eine kreisförmig ist, die Wahrscheinlichkeit, dass die tatsächliche Umlaufbahn kreisförmig ist, 1/N beträgt. Da die Anzahl der Umlaufbahnen praktisch unendlich ist, ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Umlaufbahn (perfekt) kreisförmig ist, null.
@MSalters Ihre Argumentation ist falsch, da elliptische Umlaufbahnen nicht berücksichtigt werden, die im Phasenraum ein weitaus größeres Volumen einnehmen als kreisförmige.
@space_cadet: Woher hast du die Idee, dass ich es nicht getan habe? Es ist in der Tat der springende Punkt: Unter allen stabilen Umlaufbahnen (elliptisch und kreisförmig) ist der Anteil der kreisförmigen Umlaufbahnen unendlich klein.

Eine bisher unbekannte Frage, die Gegenstand aktueller Forschung ist. Zum Beispiel:

Sean N. Raymond, David P. O'Brien, Alessandro Morbidelli, Nathan A. Kaib, "Bau der terrestrischen Planeten: Beschränkte Akkretion im inneren Sonnensystem"

Bis heute ist es keinem Akkretionsmodell gelungen, alle beobachteten Einschränkungen im inneren Sonnensystem zu reproduzieren. Zu diesen Einschränkungen gehören 1) die Umlaufbahnen, insbesondere die kleinen Exzentrizitäten, und 2) die Massen der terrestrischen Planeten – insbesondere die relativ geringe Masse des Mars wurde in früheren Simulationen nicht angemessen reproduziert; 3) die Zeitskalen der Entstehung von Erde und Mars, wie sie anhand von Hf/W-Isotopen interpretiert werden; 4) die Massenstruktur des Asteroidengürtels, insbesondere das Fehlen eines Abdrucks planetarischer embryogroßer Objekte; und 5) der relativ große Wassergehalt der Erde, unter der Annahme, dass sie in Form von wasserreichem primitivem Asteroidenmaterial geliefert wurde.

http://arxiv.org/abs/0905.3750

Die kurze Antwort lautet Gezeiten.

Vielleicht gibt es mehr formende Effekte für die Sonne, aber zumindest ist das der primäre Effekt, der die Umlaufbahn des Mondes so formt, dass sie kreisförmig ist.

Die Sache ist, dass das Gezeitendrehmoment auf dem Satelliten eine starke Abhängigkeit von der Entfernung hat. Zweitens hat die Bewegung der Orbitalmechanik eine interessante Eigenschaft: Wenn Sie einem umlaufenden Körper einen Stoß geben, passiert er immer noch denselben Punkt (aber er kommt nicht so weit heraus). Auf diese Weise formen Gezeiten qualitativ langsam die äußeren Teile der Umlaufbahn.

Der Effekt wäre aber bei anderen Reibungsarten stark entfernungsabhängig, zum Beispiel bei der Reibung zwischen den Atmosphären der Körper.

Dies scheint die ursprüngliche Frage überhaupt nicht zu beantworten. Gezeiteneffekte sind laut dem Wikipedia-Zitat in der Frage für Planeten mit Umlaufbahnen von mehr als 20 Tagen sehr gering. Ihre Antwort geht nicht darauf ein, warum das Sonnensystem im Vergleich zu anderen bisher beobachteten Sternensystemen anomal ist, was, wenn Sie den Fragetext lesen, sehr deutlich als die vorliegende Frage angegeben wird.
Ich finde diese Antwort dispositiv, da Energie sehr gut zur Definition einer "Welle" passt, die in eine beliebige Anzahl von Richtungen ausstrahlt, ähnlich dem, was wir als Oberfläche des Jupiter sehen. Wir wissen, dass der Zero Pressure Space vielleicht keine Farbe hat, aber sicherlich gibt es die Konstanz einer Resonanz, eines Summens oder „Sounds“, wie es aus dem Bereich der Physik bekannt ist.
Warum sind die Umlaufbahnen der Planeten im Sonnensystem nahezu kreisförmig?
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