A instabilidade na evolução dinâmica do sistema solar: considerações sobre o tempo de instabilidade e a formação dinâmica do cinturão de Kuiper
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Data
2019-09-05
Autores
Sousa, Rafael Ribeiro de
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
O estudo da formação e evolução do Sistema Solar é uma fonte de informação para entender sob quais condições a vida poderia surgir e evoluir. Nós apresentamos, nesta Tese de doutorado, um estudo numérico da fase final de acresção dos planetas gigantes do Sistema Solar durante e após a fase do disco de gás protoplanetário. Em nossas simulações, utilizamos um modelo recente e confiável para a formação de Urano e Netuno para esculpir as propriedades do disco trans-Netuniano original (Izidoro et al. , 2015a). Nós fizemos este estudo de uma maneira autoconsistente considerando os efeitos do gás e da evolução dos embriões planetários que formam Urano e Netuno por colisões gigantescas. Consideramos diferentes histórias de migração de Júpiter, devido a incerteza de como Júpiter migrou, durante a fase de gás. As nossas simulações permitiram obter pela primeira vez as propriedades orbitais do disco trans-Netuniano original. Então, calculamos o tempo de instabilidade dos planetas gigantes a partir de sistemas planetários que formam similares Urano e Netuno. Nossos resultados indicam fortemente que a instabilidade dos planetas gigantes acontecem cedo em até 500 milhões de anos e mais provável ainda ter acontecido em 136 milhões de anos após a dissipação do gás. Nós também realizamos simulações para discutir alguns efeitos dinâmicos que acontecem na região do cinturão de Kuiper. Estes efeitos acontecem quando Netuno esteve em alta excentricidade durante a instabilidade planetária. Para este problema, usamos as simulações realizadas por Gomes et al. (2018) que investigaram a compatibilidade da formação do cinturão frio de Kuiper, no referencial mais recente do modelo de Nice. A produção da população fria acontece in situ em Gomes et al. (2018) com o disco de planetesimais estendido até 45 ua. As simulações de Gomes et al. (2018) apresentaram bons resultados mas algumas evoluções de Netuno são muito drásticas para obter excentricidades baixas compatíveis as quais estão presentes no atual cinturão de Kuiper. Nós realizamos simulações para a produção da população fria diante de uma fase que é mais prejudicial para a retenção dessa população: a fase excêntrica de Netuno (e > 0.2) e a precessão lenta da longitude do periélio deste planeta (Batygin et al. , 2011). Refizemos estas simulações considerando agora a interação mútua de objetos com tamanho de alguns plutões, ou menores, embutidos no cinturão de Kuiper. Com estes resultados, podemos verificar se a dispersão causada pela autogravidade é capaz de produzir objetos com excentricidade mais baixas durante a fase violenta de Netuno. Nós também aplicamos a teoria secular para explicar os nossos resultados. Obtermos excentricidades baixas com a autogravidade dos planetesimais mas considerando um disco mais massivo do que é observado no cinturão frio de Kuiper. Portanto, concluímos que o ingrediente principal para a retenção da população fria, quando Netuno estava em alta excentricidade, é um sincronismo entre a duração dos ciclos seculares e o fim da fase de precessão lenta de Netuno.
A study of the formation and evolution of the Solar System is a source of information for an understanding of what conditions life could arise and evolve. We present a numerical study of the final stage of accretion of the giant planets of the Solar System during and after the protoplanetary gas disc phase. In our simulations, we use a recent and reliable model for the formation of Uranus and Neptune to sculpt the properties of the original trans-Neptunian disk (Izidoro et al. , 2015a). We have done this study in a self-consistent way considering the effects of gas and the evolution of planetary embryos which form Uranus and Neptune by mutual giant collisions. We considered different Jupiter migration stories due to the uncertainty of how Jupiter’s migration was during the gas phase. Our simulations provide for the first time to obtain the orbital properties of the original trans-Neptunian disk. We then calculate the instability time of the giant planets from planetary systems which form similar Uranus and Neptune. Our results strongly indicate that the instability of the giant planets occurs early within 500 million years and even more likely to happen at 136 million years after gas dissipation. We also perform simulations to discuss some dynamical effects that happen in the Kuiper belt region. These effects happen when Neptune was in high eccentricity during planetary instability. For this problem, we use the simulations performed by Gomes et al. (2018) who investigated the compatibility of the Kuiper cold belt formation in the latest Nice model framework. Cold population production takes place in situ in Gomes et al. (2018) with planetesimal disc extended to 45 AU. The simulations of Gomes et al. (2018) have shown good results but some Neptune evolutions are too drastic to obtain low eccentricities which are present in the current Kuiper belt. We perform simulations for the production of the cold population in the face of a phase that is most drastic for the cold population’s retention: the eccentric phase of Neptune (e > 0.2) and the slow precession of the perihelion longitude of this planet (Batygin et al. , 2011). We performed new simulations but considering the mutual interaction of objects (self-gravity) with the size of a few pluto, or smaller, embedded in the Kuiper belt. With these results, we can see if the dispersion caused by the self-gravity is capable of producing lower eccentricity objects during the violent phase of Neptune. We also apply secular theory to explain our results. The planetesimals reach low eccentricities with the self-gravity but considering a more massive disk than the observed Kuiper belt. Therefore, we conclude that the ideal for Neptune’s evolution to produce the cold population even at high eccentricity is the synchronism between the secular cycles of the planetesimals and the duration of Neptune’s eccentric and slow precession phase.
A study of the formation and evolution of the Solar System is a source of information for an understanding of what conditions life could arise and evolve. We present a numerical study of the final stage of accretion of the giant planets of the Solar System during and after the protoplanetary gas disc phase. In our simulations, we use a recent and reliable model for the formation of Uranus and Neptune to sculpt the properties of the original trans-Neptunian disk (Izidoro et al. , 2015a). We have done this study in a self-consistent way considering the effects of gas and the evolution of planetary embryos which form Uranus and Neptune by mutual giant collisions. We considered different Jupiter migration stories due to the uncertainty of how Jupiter’s migration was during the gas phase. Our simulations provide for the first time to obtain the orbital properties of the original trans-Neptunian disk. We then calculate the instability time of the giant planets from planetary systems which form similar Uranus and Neptune. Our results strongly indicate that the instability of the giant planets occurs early within 500 million years and even more likely to happen at 136 million years after gas dissipation. We also perform simulations to discuss some dynamical effects that happen in the Kuiper belt region. These effects happen when Neptune was in high eccentricity during planetary instability. For this problem, we use the simulations performed by Gomes et al. (2018) who investigated the compatibility of the Kuiper cold belt formation in the latest Nice model framework. Cold population production takes place in situ in Gomes et al. (2018) with planetesimal disc extended to 45 AU. The simulations of Gomes et al. (2018) have shown good results but some Neptune evolutions are too drastic to obtain low eccentricities which are present in the current Kuiper belt. We perform simulations for the production of the cold population in the face of a phase that is most drastic for the cold population’s retention: the eccentric phase of Neptune (e > 0.2) and the slow precession of the perihelion longitude of this planet (Batygin et al. , 2011). We performed new simulations but considering the mutual interaction of objects (self-gravity) with the size of a few pluto, or smaller, embedded in the Kuiper belt. With these results, we can see if the dispersion caused by the self-gravity is capable of producing lower eccentricity objects during the violent phase of Neptune. We also apply secular theory to explain our results. The planetesimals reach low eccentricities with the self-gravity but considering a more massive disk than the observed Kuiper belt. Therefore, we conclude that the ideal for Neptune’s evolution to produce the cold population even at high eccentricity is the synchronism between the secular cycles of the planetesimals and the duration of Neptune’s eccentric and slow precession phase.
Descrição
Palavras-chave
Sistema Solar, Cinturão de Kuiper, Instabilidade Planetária, Dinâmica Secular, Disco de Planetesimais, Astronomia, Formação do Sistema Solar, Solar System formation, Kuiper Belt, giant planet instability, Planetesimal disk, Secular dynamics