Wie nah beieinander können Planeten von der Masse der Erde plausibel aus der protoplanetaren Scheibe entstehen?

Planeten werden sich wahrscheinlich in 2:1-Resonanzen bilden

Simulationen von Zhu, et al., 2018 , zeigten, dass die Bildung mehrerer Planeten aus einer zirkumstellaren Staubwolke sehr stark zu 2:1-Planetenresonanzen führt, zumindest bei anfänglichen Formationen.

In den meisten Fällen sind die Planeten in 2:1-Resonanzen zwischen jedem Paar benachbarter Planeten gefangen ... Wann immer der Resonanzwinkel zwischen dem Intervall [-π, π] schwankt, sind die Planeten in einer 2:1-Resonanz gefangen. Je kleiner die Librationsamplitude ist, desto tiefer ist die Resonanzverriegelung.

Alle Ausnahmen von dieser Resonanz führten letztendlich dazu, dass der eine oder andere Protoplanet durch Gravitationswechselwirkungen zerstreut wurde, bevor er vollständig gebildet war.

Es gibt jedoch zwei Fälle, in denen Planeten eine enge Begegnung erfahren und gravitativ gestreut werden.

Im Laufe ihrer Millionen-Jahre-Simulation verursachen Formationen von drei oder mehr Planeten eine Migration aus den ursprünglichen Resonanzen, wie wir es erwarten würden. Andererseits befasst sich dieses Modell speziell mit der Bildung von Riesenplaneten, sodass die Möglichkeit kleinerer, erdähnlicherer Planeten besteht.

Anmerkungen

Ich werde weitere mögliche Antworten hinzufügen, wenn ich sie finde. Mein bisheriger Überblick lässt es unwahrscheinlich erscheinen, dass auf diesem Gebiet viel etablierte Wissenschaft zu finden ist.

Ich bin keineswegs ein Experte für Planetenentstehung, aber ich denke tatsächlich, dass dies auf etwas namens Hill Sphere hinausläuft. Für Kreisbahnen ist der Radius der Hill Sphere gegeben durch$r_H\approx a \sqrt[3]{\frac{m}{3M}}$. Für Erde und Sonne entspricht dies etwa 1,5 Millionen km oder etwa 0,01 AE.

In entwickelten Systemen ist die Hill Sphere "die Region, in der ein astronomischer Körper die Anziehungskraft von Satelliten dominiert". Das Ergebnis davon ist, dass jeder Körper, der sich innerhalb dieses Radius bildet, entweder zu einem Satelliten wird oder ausgestoßen wird. Ob es vernünftig ist, dass sich innerhalb dieser Entfernung ein zweiter Planet bilden könnte, wird durch die Eigenschaften der protoplanetaren Scheibe bestimmt, aber wenn die Bedingungen stimmen, um ein so nahe beieinander liegendes Planetenpaar zu bilden, bin ich ziemlich zuversichtlich, dass dies Ihre absolute Untergrenze ist.

Weitere Informationen zur Hill Sphere von Wikipedia

Der Planet Theia entstand in der Nähe oder am L4- oder L5-Lagrange-Punkt der Erde.

Ich sehe, dass das OP Planeten ausschließt, die sehr nahe beieinander liegen.

Ich interessiere mich auch nicht für Planeten in einer gemeinsamen Umlaufbahn, wie etwa irgendetwas am L4- oder L5-Punkt eines anderen Planeten, oder Doppelplanetenpaare (nicht ganz anders als unser Pluto und Charon).

Ich bin mir nicht sicher, warum diese ausgeschlossen sind. Planetenentstehung ist Planetenentstehung, also werde ich trotzdem mit dem Theia-Beispiel antworten. Wenn sich zwei Planeten so nahe beieinander bilden können, scheint mir dies die innere Grenze dafür zu setzen, wie nahe sich Planeten möglicherweise bilden können. Der verlinkte Wikipedia-Artikel besagt, dass Charon ein großer Mond ist, der von Pluto durch einen uralten Einschlag abgestoßen wurde, ähnlich wie unser eigener Mond; nicht wirklich relevant für die Frage der Planetenentstehung.

Theia war ein alter Planet von der Größe des Mars, der mit der Erde kollidierte und mit ihr verschmolz und dabei den Mond bildete. Ich behaupte hier, dass Theia aus der protoplanetaren Scheibe am L4- oder L5-Punkt der alten Erde entstanden ist.

Beweis.

Vor der Verschmelzung mit der Erde soll Theia in L4 oder L5 umkreist worden sein.

https://en.wikipedia.org/wiki/Theia_(Planet)

Es wird angenommen, dass Theia in der L4- oder L5-Konfiguration umkreist wurde, die vom Erde-Sonne-System dargestellt wird, wo sie tendenziell bleiben würde. In diesem Fall wäre es möglicherweise auf eine Größe gewachsen, die mit der des Mars vergleichbar ist. Gravitationsstörungen der Venus könnten sie schließlich auf einen Kollisionskurs mit der Erde gebracht haben.[7]

Theia traf die Erde sanft. Es stürzte nicht aus entfernten Bereichen des Sonnensystems herein.

https://en.wikipedia.org/wiki/Giant-impact_hypothesis

Aus astronomischer Sicht wäre der Aufprall von mäßiger Geschwindigkeit gewesen. Es wird angenommen, dass Theia die Erde in einem schiefen Winkel getroffen hat, als die Erde fast vollständig geformt war. Computersimulationen dieses "Late-Impact"-Szenarios legen einen Aufprallwinkel von etwa 45° und eine anfängliche Impaktorgeschwindigkeit unter 4 km/s nahe.[16]

Das macht Sinn, wenn es vor dem Aufprall nur bei L4 war und seine Umlaufbahn schließlich durch Jupiter oder Venus gestört wurde.

Earths Titanzwilling

Im Gegensatz dazu stellen Zhang et al.1 fest, dass die Zusammensetzung der Titanisotope von Erde und Mond innerhalb von Fehlern von 0,0004 % identisch ist – fast die Grenze der Nachweisbarkeit. Dies ist nicht das erste Mal, dass die Hypothese des Rieseneinschlags von Isotopen in Frage gestellt wird. Während des letzten Jahrzehnts wurden Ähnlichkeiten zwischen Mond- und Landgestein für die Isotope Sauerstoff6, Silizium7, Chrom8 und Wolfram9 identifiziert. Die drei letztgenannten lassen sich mit den neuesten Rieseneinschlagsimulationen5 in Einklang bringen, wenn man annimmt, dass Theia eine marsähnliche Zusammensetzung aufwies – möglicherweise der einzige überlebende Planetenembryo, aus dem sich die größeren terrestrischen Planeten gebildet haben10. Die Sauerstoffisotopenzusammensetzungen von Erd- und Mondgestein sind jedoch so ähnlich, dass, wenn Theia eine marsähnliche Zusammensetzung hätte, es kann nicht mehr als ein paar Prozent Material zur mondbildenden Scheibe beigetragen haben6. Zhanget al. zeigen, dass Titanisotope ähnlich einschränkend sind.

Die Erde und der Mond haben die gleiche Isotopenzusammensetzung. Wo ist der Beitrag von Theia? Es ist dort. Die Erde, der Mond und Theia hatten alle die gleiche Zusammensetzung.

Über Herkunft und Zusammensetzung der Theia

Wenn der FeO-Gehalt der Erde und des Mondes tatsächlich von der Proto-Erde und Theia geerbt wird, dann muss Theia implizit eine erdähnliche Isotopenzusammensetzung gehabt haben (ähnlich wie Enstatit-Chondrite, Aubrite oder andere erdähnliche Materialien wie NWA 5400 ). Dies ist möglich, wenn sowohl die Erde als auch Theia, aber nicht der Mars, Teil eines frühen einheitlichen Reservoirs der inneren Scheibe waren (IDUR; Dauphas et al., 2014), oder wenn die innere Scheibenregion in der Zeit zwischen der Isolierung isotopisch homogenisiert wurde des Mars von der Scheibe und dem Giant Impact, der den Mond formte.

Von OP: Wie nahe beieinander können Planeten mit Erdmasse plausibel aus der protoplanetaren Scheibe entstehen?

Theia entstand direkt neben der Erde aus Materialien in der gleichen Region der Scheibe. Die nahezu identische Isotopenzusammensetzung von Erde und Mond schließt die Möglichkeit aus, dass Theia ein seltsamer Asteroid oder sogar eine marsähnliche Zusammensetzung ist. Theia besteht aus erdähnlichen Materialien. Es entstand näher an der Erde als der Mars. Ich kann mir nicht vorstellen, wie sich zwei Planeten näher bilden können.

Nichts wird sich näher bilden als die Lagrange-Punkte, weil es in den Planeten fallen würde. Das Beispiel der Entstehung von Theia und Erde nebeneinander legt den Mindestabstand fest, den Planeten von der protoplanetaren Scheibe aus bilden können.