Wie bekommen die Planeten und die Sonne ihre anfängliche Drehung?

Um auf Martin Becketts Antwort aufzubauen (vor allem, weil ich nicht sicher bin, wie vertraut Sie mit Physik sind);

Derzeit glauben wir, dass Sterne entstehen, wenn Objekte, die als Molekülwolken bekannt sind (was, wie man vermuten könnte, Wolken von Molekülen im Weltraum, die hauptsächlich aus Wasserstoff bestehen), kollabieren. Es ist wichtig zu beachten, dass diese Wolken nicht „statisch“ sind, sie haben eine Art Bewegung, einschließlich einer Art „durchschnittlicher Rotation“, was bedeutet, dass sich die Wolke insgesamt dreht (normalerweise ziemlich langsam).

Wie in Martin Becketts Antwort erwähnt, bleibt der Drehimpuls erhalten; Das typische Beispiel ist, sich eine sich drehende Eiskunstläuferin vorzustellen, die sich schneller dreht, wenn sie ihre Arme nahe an ihren Körper bringt. Wenn Sie das nicht glauben und Zugriff auf einen Bürostuhl haben, ist es leicht, sich selbst zu überzeugen (und sich möglicherweise auch zu verletzen ...). Dies gilt auch für die Molekülwolke. Wenn es in sich zusammenfällt, beginnt es sich immer schneller zu drehen und bildet eine Scheibe. Der Großteil davon verschmilzt im Zentrum zu einer großen Wasserstoffkugel, die schließlich einen Stern bilden wird. Die Materie in der Scheibe beginnt sich langsam mehr und mehr zusammenzuballen, um die Planeten zu bilden (es ist etwas komplizierter, aber wenn Sie interessiert sind, ist es ein einfaches Thema zum Nachlesen). Ähnlich wie die gesamte Wolke beginnt, sich immer schneller zu drehen,

Der vorherige Beitrag hat Ihre anderen Fragen behandelt.

Der Drehimpuls bleibt erhalten, sodass jede winzige anfängliche Rotation, die der ursprüngliche Gasball hatte, schneller wird, wenn das Gas zu einem Stern und einer Planetenscheibe zusammenbricht.

Planeten in der Nähe der Sonne drehen sich aus dem gleichen Grund langsam, aus dem der Mond immer auf die gleiche Seite der Erde zeigt - Gezeitenbremsung

Die Venus erhielt wahrscheinlich einige Zeit zu Beginn ihres Lebens einen Treffer von einem Steinklumpen / Protoplaneten, der ihre Rotation änderte. Ein ähnliches Ereignis trennte den Mond von der Erde

Wie bekommen die Planeten und die Sonne ihre Anfangsrotation?

Eine einfache Antwort ist die Erhaltung des Drehimpulses. Die richtige Antwort ist, dass eine einfache Antwort etwas zu einfach ist.

Die Sonnensterne
entstehen aus einer Gaswolke, die einem Gravitationskollaps unterliegt. Die Wolke kollabiert zu einer protoplanetaren Scheibe, während der Protostern zu wachsen beginnt. Die Erhaltung des Drehimpulses schreibt vor, dass der Protostern und die Scheibe einen konstanten Drehimpuls beibehalten: Die Scheibe und der Stern rotieren um eine gemeinsame Achse. Das sehen wir jetzt in unserem Sonnensystem: Ein langsam rotierender Stern, dessen Rotationsachse mehr oder weniger mit der Umlaufachse der Planetenbahnen übereinstimmt.

Es gibt ein Problem mit dieser netten einfachen Erklärung: Während die Sonne 99,87 % der Gesamtmasse des Sonnensystems ausmacht, trägt die Sonne nur sehr wenig zum gesamten Drehimpuls des Sonnensystems bei. Dieses „Winkelimpulsproblem“ (siehe z. B. Richard Larson, „Angular momentum and the formation of stars and black holes“, Reports on Progress in Physics 73.1 (2010): 014901) wird während des Bildungsprozesses sogar noch größer. Der Gesamtdrehimpuls einer typischen Gaswolke ist um mehrere Größenordnungen größer als der größtmögliche Drehimpuls, den ein Stern aushalten könnte, damit er nicht zerbricht. Ein Protostern muss beim Wachsen Drehimpuls verlieren. Es macht keinen Sinn, die Erhaltung des Drehimpulses auf ein System zu berufen, das keinen Drehimpuls erhält. Verschiedene vorgeschlagene Verfahren für diese Fachbildung halten jedoch die Rotationsachse mehr oder weniger in mehr oder weniger die gleiche Richtung weisend.

Die terrestrischen
Planeten Es wird angenommen, dass terrestrische Planeten aus einer Reihe von Kollisionen entstehen, beginnend mit kleinen Staubklumpen, die schließlich zu Felsbrocken heranwachsen, dann zu Protoplaneten, dann zu Planetenembryos und schließlich zu Planeten. Bei diesen letzten paar Kollisionen zwischen Paaren großer Planetenembryos überwältigt der Drehimpuls aufgrund der relativen Geschwindigkeit dieser letzten paar binären Kollisionen höchstwahrscheinlich den Drehimpuls aufgrund der Rotation. Die anfängliche Rotation der terrestrischen Planeten ist ein Ergebnis der letzten großen Kollision. Das Ergebnis ist etwas willkürlich.

Merkur
Merkur ist ein Sonderfall. Es ist im Wesentlichen gezeitenabhängig mit der Sonne verbunden. (Genau genommen liegt es in einer Spin-Bahn-Resonanz von 3:2.) Das sehr starke Drehmoment des Gravitationsgradienten, das von der Sonne auf Merkur ausgeübt wird, hätte jede vernünftige Anfangsrotation überwältigt. Welche anfängliche Rotationswinkelgeschwindigkeit auch immer Merkur hatte, sie ist längst vorbei. Es lässt sich nicht sagen, wie hoch die anfängliche Rotationsgeschwindigkeit oder Rotationsachse des Merkur war.

Venus
Venus ist ein weiterer Sonderfall. Es dreht sich sehr langsam, und seine Rotation ist rückläufig. Die Rotationsachse der Venus steht fast auf dem Kopf (177° Neigung). Lange Zeit dachten die meisten Sonnenforscher, dies sei eine Folge des letzten großen Dings, das die Venus getroffen hat (siehe oben). Es gibt zwei Probleme mit einer Riesenkollision, um die Rotation der Venus zu erklären. Zum einen ist eine Kollision, bei der sich die Venus fast genau entgegengesetzt zu ihrer Umlaufbahn dreht, eher unwahrscheinlich. Ein noch größeres Problem ist, dass die Venus eine sehr dichte Atmosphäre hat. Ein letzter großer Schlag, der groß genug war, um die Venus auf die Seite zu kippen, hätte höchstwahrscheinlich die Atmosphäre der Venus vertrieben. Eine schöne Lösung ist, dass die auf den Kopf gestellte Rotation der Venus eine natürliche Folge der sehr dichten Atmosphäre der Venus ist. ProAlexandre Correia und Jacques Laskar, „The four final rotation states of Venus“, Nature 411.6839 (2001): 767–770 , ist die Venus nahe daran, sich in einem von (und einem der wahrscheinlichsten) vier möglichen finalen Rotationszuständen zu befinden. Es ist kein letzter großer Schlag nötig, um die Rotation der Venus zu erklären. Welche anfängliche Rotation es auch hatte, es ist längst vorbei.

Erde
Die Erde hat einen extrem großen Mond. Das macht die Erde zu einem weiteren Sonderfall. Die vorherrschende Hypothese bezüglich der Entstehung des Mondes ist, dass sie eine Folge eines schrägen Rieseneinschlags zwischen der Proto-Erde und einem marsgroßen planetarischen Embryo ist, der spät in der Entstehung des Sonnensystems stattfand. Die Rotation der Proto-Erde vor diesem gigantischen Einschlag ist unbekannt; Fast der gesamte Drehimpuls ist eine Folge dieses schrägen Rieseneinschlags.

Wenn diese Hypothese zutrifft, hätte sich die Erde deutlich schneller als die derzeitige Rotationsrate von einer Umdrehung alle 24 Stunden gedreht, anstatt sich einmal alle vier bis sechs Stunden zu drehen. Unsere aktuelle Rotationsgeschwindigkeit ist das Ergebnis einer allmählichen Übertragung des Drehimpulses von der Erdrotation auf die Umlaufbahn des Mondes. Es gibt Anzeichen für diese Übertragung in Fossilien und Gesteinen, die zeigen, dass sich die Erde tatsächlich schneller drehte als heute.

Mars
Mars ist der erdähnliche Planet, der am weitesten von der Sonne entfernt ist, er hat keine dichte Atmosphäre und keinen großen Mond. Der Mars scheint einigen ziemlich großen späten Einschlägen ausgesetzt gewesen zu sein, vielleicht sogar einem extrem großen, der fast die gesamte nördliche Hemisphäre des Mars zu einem großen Einschlagskrater macht. Vielleicht ist der Mars der einzige terrestrische Planet, dessen aktuelle Rotation nahe an seiner ursprünglichen Rotation liegt.

Mars ist jedoch Jupiter ziemlich nahe, und wenn das Grand-Tack-Modell richtig ist, war er Jupiter in der fernen Vergangenheit sogar noch näher. Es gibt starke Hinweise darauf, dass die Schiefe (axiale Neigung) des Mars in der Vergangenheit chaotischen Schwankungen ausgesetzt war. Mars ist ein weiterer Sonderfall.

Die Riesenplaneten
Es wird angenommen, dass sich die Riesenplaneten ursprünglich durch einen ähnlichen (aber schnelleren) Prozess gebildet haben wie die terrestrischen Planeten. Dieser anfängliche felsige/eisige Kern hätte die Proto-Sonne etwas schneller umkreist als das Gas und der Staub in unmittelbarer Nähe. Dadurch konnten die Proto-Riesenplaneten Gas, Eis und Staub von der protoplanetaren Scheibe auffegen. Die Dichte des Materials, aus dem die Scheibe bestand, war alles andere als einheitlich, typischerweise höher in Richtung des Protosterns. Das Aufkehren dieser ungleichmäßigen Dichte hätte dem Protoplaneten ein Drehmoment verliehen, das den zufälligen Spin des Kerns überwältigt hätte. Alle vier Riesenplaneten rotieren ziemlich schnell, und mit Ausnahme von Uranus rotieren sie mehr oder weniger mit der Umlaufbahn des Planeten.

Jupiters
axiale Neigung ist eher gering, was vollständig mit dem vorherrschenden Modell der Planetenentstehung übereinstimmt. Jupiters Rotation ist der am wenigsten überraschende der Riesenplaneten, höchstwahrscheinlich, weil Jupiter der massereichste der Riesenplaneten ist.

Saturn
Saturn ist Jupiters kleiner Bruder, ein Gasriese, der ziemlich schnell rotiert. Saturns schnelle Rotation stimmt mit dem Modell der Planetenentstehung überein. Seine Neigung von 26,73° ist etwas schwieriger zu erklären. Vielleicht gab es eine Wechselwirkung mit einem der anderen Riesenplaneten (siehe z. B. William Ward und Douglas Hamilton, „Tilting saturn. I. Analytic model“, The Astronomical Journal 128.5 (2004): 2501 ) oder vielleicht mit einem seither vertriebenen fünfter Riesenplanet.

Uranus
Uranus ist der seltsame Planet unter den Riesenplaneten. Die große axiale Neigung von Uranus ist die zweitgrößte nach der der Venus. Es gibt eine Reihe von Fragen und Antworten zur axialen Neigung von Uranus auf dieser Seite und auf Schwesterseiten zum Austausch von Stacks. Siehe zum Beispiel Warum ist die Rotationsachse von Uranus geneigt? und Was ist die akzeptierte Theorie darüber, warum die Achse des Uranus so stark geneigt ist? . Zusätzlich zu den in den Antworten auf diese Fragen beschriebenen Kollisionsmodellen wurde ein kollisionsfreies Modell vorgeschlagen; siehe Gwenaël Boué und Jacques Laskar, „A Collisionless Scenario for Uranus Tilting“, The Astrophysical Journal Letters 712.1 (2010): L44 .

Neptun
Neptun ist der Bruder von Uranus. Beide sind Eisriesen mit sehr ähnlichen Massen und Rotationsraten. Neptun hat nicht die seltsame axiale Neigung von Uranus. Es hat jedoch eine axiale Neigung, die nicht vollständig mit dem Modell der Planetenentstehung übereinstimmt. Eine Erklärung ist dieselbe wie für Saturn; siehe oben.

Zusammenfassung
Sich auf die Erhaltung des Drehimpulses zu berufen, um die Rotation der Sonne und der Planeten zu erklären, ist eine schöne einfache Antwort, aber vielleicht zu einfach. Die Erklärung der anfänglichen Rotationen der Sonne und der Planeten und der Entwicklung danach ist nicht trivial, und es bleiben eine Reihe offener Fragen. Redaktion: Es ist nichts falsch daran, in der Wissenschaft offene Fragen zu haben. Tatsächlich ist es eine gute Sache, diese offenen Fragen zu haben. Es ist der Kern dessen, was Wissenschaft zu Wissenschaft macht .

Q1 wurde kürzlich erneut gestellt (und schnell geschlossen) und es gibt meiner Meinung nach eine einfache und wichtige Illustration, die es verdient, dieser alten Frage hinzugefügt zu werden.

Betrachten Sie den Großteil des Protoplaneten, der von mehr Material umgeben ist, das von ihm angezogen wird. Bedenken Sie auch, dass das Material um diesen relativ kleinen Bereich in der Akkretionsscheibe eine ungefähr konstante Geschwindigkeit hat$v$: Wenn das Material zum lokalen Anziehungszentrum konvergiert, Erhaltung des Drehimpulses

• erhöht die Geschwindigkeit des ursprünglich mit einem größeren Radius umlaufenden Materials und
• verringert die Geschwindigkeit des ursprünglich mit einem kleineren Radius umlaufenden Materials.

Was es bedeutet, wird dann deutlicher in der Rahmenreferenz des Protoplaneten gesehen: eine Rotation um das lokale Anziehungszentrum, dh die Spins des Protoplaneten.

_{(Ich bin der Autor dieses Bildes, aber ich bin mir ziemlich sicher, dass ich nicht auf die Idee gekommen bin - ich konnte es jedoch nicht in einer schnellen Suche finden, also wenn jemand eine Referenz kennt, die diese Erklärung enthält ( oder wenn es falsch ist!), teilen Sie es bitte in einem Kommentar mit.)}

Wenn wir die Erde für einen Moment auslassen, scheint es, dass Gesteinsplaneten während ihrer Rotationsperioden linear langsamer werden – je näher sie der Sonne kommen. Die Erde ist eine Anomalie, wahrscheinlich wegen des Mondes, der seine Rotation erheblich beschleunigt hat. Gemäß meinem Diagramm dieser linearen Beziehung zwischen „Tageslänge“ und Entfernung von der Sonne hätte eine Erde ohne den Mond Tage, die 1.960 Stunden lang sind. Die Sonne muss also einen gewissen Einfluss auf die Rotationsperioden jedes Planeten haben.