La compatibilidad de la hipótesis de Grand Tack con la teoría del "impacto de deformación del núcleo" del núcleo difuso de Júpiter

En los últimos años, la misión Juno reveló que el núcleo de Júpiter era mucho más difuso de lo que esperaban los astrónomos.

Una teoría es que "dentro de unos pocos millones de años" de su formación, Júpiter experimentó una colisión frontal con un planetesimal de aproximadamente 10 METRO ⊕ , agregando mucha más masa a su núcleo del planetesimal de silicato, pero también causando que el contenido del núcleo se rompa y se mezcle con la envoltura interna.

Los modelos utilizados en esta teoría colocaron a Júpiter a una distancia de 5,2 UA del Sol, que es aproximadamente la misma que su semieje mayor en la actualidad. El planetesimal en cuestión estaría en el extremo superior del rango de masa válido para una Super-Tierra.

Ahora, según la teoría de Grand Tack , Júpiter se formó originalmente a una distancia de ≈ 3.5 AU y migró hacia adentro, hacia el Sol, antes de que las interacciones gravitatorias con Saturno hicieran que los dos planetas se movieran hacia afuera y llevaran a Júpiter a su órbita actual.

Saturno mismo se habría formado a una distancia de ≈ 4.5 AU, aumentando en masa desde 30 METRO ⊕ a 60 METRO ⊕ durante la primera 10 5 años de la migración interna de Júpiter, antes de iniciar su propia migración interna. Esto habría sido mucho más rápido que el de Júpiter, lo que permitió que Saturno "se pusiera al día" y las interacciones gravitatorias descritas luego ocurrieran.

Todas las formaciones originales habrían ocurrido en una escala de tiempo de ⪅ 6 METRO y r , tal vez más cerca de ≈ 3 METRO y r . (El documento original que describe Grand Tack se refiere solo a "unos pocos Myr"; las cifras aquí se basan en "Frecuencias de disco y tiempos de vida en grupos jóvenes" , que cita para respaldar esto). Las migraciones hacia adentro y hacia afuera tendrían entonces ocurrió en un período de tiempo de 800,000 años (vea la Figura 1 del documento Grand Tack )

(Dicho sea de paso, los núcleos de Urano y Neptuno son cada uno ≈ 5 METRO ⊕ al comienzo de esta migración, aumentando a valores > 10 METRO ⊕ al final de la misma.)

Diagrama de arXiv 1201.5177)

Hasta ahora, los dos modelos parecen bastante compatibles entre sí, y la colisión se produce después de que Júpiter se establezca en su órbita de 5,2 AU. Pero hay un detalle del que no estoy seguro. Aquí viene la pregunta:

  • Las descripciones de la teoría Grand Tack describen a Júpiter como la dispersión de los primeros planetesimales a medida que su gravedad perturbaba sus órbitas. Algunos chocaron entre sí, algunos fueron propulsados ​​hacia el Sol... ¿Es más probable que uno de ellos chocara con el propio Júpiter en el ángulo de frente necesario para la colisión que deforma el núcleo? Lo que significaría que el impacto ocurrió antes de que Júpiter alcanzara su órbita final.

Además...

  • La escala de tiempo de "pocos millones de años" es bastante vaga. ¿Alguien sabe algún detalle adicional que pueda sugerir que el impacto ocurrió antes del marco de tiempo de Grand Tack?

Referencias (no paywalled):

Haisch Jr, KE, Lada, EA y Lada, CJ (2001). Frecuencias de disco y tiempos de vida en clústeres jóvenes. The Astrophysical Journal Letters, 553(2), L153.

Walsh, KJ, Morbidelli, A., Raymond, SN, O'Brien, DP y Mandell, AM (2011). Una masa baja para Marte de la primera migración impulsada por gas de Júpiter. Naturaleza, 475(7355), 206-209.

Liu, SF, Hori, Y., Müller, S., Zheng, X., Helled, R., Lin, D. e Isella, A. (2019). La formación del núcleo diluido de Júpiter por un impacto gigante. Naturaleza, 572(7769), 355-357.

Guillot, T. (2019). Señales de que Júpiter fue mezclado por un impacto gigante.

con artículos adjuntos:

Muro, M. (2017). Más rarezas de Júpiter: el planeta gigante puede tener un núcleo enorme y 'borroso'. (espacio.com)

Weitering, H. (2018). 'Totalmente equivocado' en Júpiter: lo que los científicos obtuvieron de la misión Juno de la NASA. (espacio.com)

(2019). ¿Un impacto que deformó el núcleo en el pasado de Júpiter? (Astronomía Ahora)

Un artículo citado en versiones anteriores de esta pregunta pero que resultó ser incompatible con la teoría Grand Tack:

Pirani, S., Johansen, A., Bitsch, B., Mustill, AJ y Turrini, D. (2019). Consecuencias de la migración planetaria en los cuerpos menores del sistema solar primitivo. Astronomía y astrofísica, 623, A169.

con artículo adjunto:

El viaje desconocido de Júpiter revelado

Sin paredes de pago: arxiv.org/abs/2007.08338
@KeithMcClary Muchas gracias por eso. Estoy en el trabajo en este momento, pero lo editaré en la pregunta más tarde. ¡Gracias de nuevo!
Sin embargo, algo que me preocupa es que su enlace que propone que tenga lugar 2-3 Myr después de la formación de Júpiter establece que Júpiter se formó mucho más lejos que la distancia actual y luego emigró. No se menciona que Júpiter migró más hacia adentro y luego retrocedió. . No estoy seguro de si esa hipótesis y la gran táctica son compatibles, a menos que me falte alguna información.
@ShroomZed He mirado el documento original cubierto por el artículo ("Consecuencias de la migración planetaria en los cuerpos menores del sistema solar primitivo"). Una cita: "Se han propuesto muchos mecanismos para explicar la baja masa del cinturón de asteroides, como... el escenario Grand Tack... No vamos a explorar más este tema ya que no simulamos la parte interna del sistema solar ..." Estoy investigando más: los artículos que cita parecen asumir que los pares de torsión en competencia hacen que cese la migración hacia el interior de Tipo 1, y no dicen nada sobre el exterior, pero 1/
esto puede basarse en suposiciones simplificadas, y puede ser posible agregar algo similar al Grand Tack en un modelo modificado razonable. Como digo, estoy leyendo más, y me pregunto cómo encajan los planetas Júpiter/Chthonian calientes en esto. Disculpas por no responder antes, y gracias por traerlo a mi atención.
@ShroomZed Parece que "Consecuencias de la migración planetaria en los cuerpos menores del sistema solar primitivo" es probablemente incompatible con Grand Tack. Sin embargo, resulta que se puede obtener una escala de tiempo muy similar del papel Grand Tack original, y lo he editado para reemplazar el original. Tendré que editar al menos un artículo de Wikipedia en algún momento también. Gracias de nuevo por señalar todo esto.

Respuestas (1)

Creo que esta pregunta podría desencadenar más una discusión abierta que una respuesta definitiva, pero déjame probar mi opinión.

En primer lugar,

¿Es más probable que uno de estos colisionara con el propio Júpiter en el ángulo de frente necesario para la colisión de deformación del núcleo?

Para colisionar, una configuración coorbital es más favorable que un encuentro de cruce de órbitas con alta excentricidad (como se ve en Liu et al., fig. 2 ampliada), pero sus "ángulos altos" no cuantifican las excentricidades altas correctamente . Esto se debe a que en sus simulaciones, todos los planetesimales se inicializan en órbitas circulares, con distancias iniciales de 5-10 radios de Hill mutuos (su parámetro k). La razón por la que creo que no compararon correctamente manzanas con manzanas es porque, por lo general, un planeta excéntrico tendría más energía cinética de la permitida en sus simulaciones, lo que reduce la sección transversal de colisión.
Esto conduciría a tasas de impacto drásticamente reducidas en ángulos altos, en comparación con los datos que muestran. Además, en el escenario de dispersión temprana que usted propone,

La masa requerida para los impactadores es, creo, el punto principal por el que los dos escenarios no son compatibles. Las condiciones iniciales para los escenarios de impacto son las de 5 densamente empacados 10 metro o pag yo tu s planetas, de los cuales uno experimenta una acumulación de gas fuera de control y se convierte en Júpiter. Se explica que esas condiciones surgen debido al crecimiento oligárquico. Para los 5 planetas, esto significa que 50 metro ⊕ se empaquetan en una región de 5 AU de tamaño. Esto ya es 1/3 de una masa de disco mediana de clase 0, y requiere una alta eficiencia del 100% al traducir guijarros a planetesimales a planetas.
Ver esos números me hace dudar mucho del realismo de las condiciones iniciales.

Con respecto a la otra parte de tu pregunta,

La escala de tiempo de unos pocos millones de años es bastante vaga. ¿Alguien sabe algún detalle adicional que pueda sugerir que el impacto ocurrió antes del marco de tiempo de Grand Tack?

Los pocos millones de años provienen de una cierta cantidad de enfriamiento y compactación que se requiere para que el impacto mezcle con éxito la envoltura de Júpiter. Por lo tanto, el impacto no debería haber ocurrido antes del Grand Tack.

Tomando ambas cosas juntas, el requisito de enfriamiento y la masa/compacidad de las condiciones iniciales necesarias, no creo que ambos escenarios sean compatibles.

¿Puedo asegurarme de haber entendido correctamente, ya que hay mucho que desempacar aquí? Para los dos escenarios alternativos, usted cree que los planetesimales dispersos tenían una masa demasiado baja para que el impacto haya sido con uno de ellos, y también cree que la colisión no pudo haber ocurrido antes del Grand Tack. Hasta ahora, estoy bastante seguro de que te estoy siguiendo. Sin embargo, además de estos dos, usted da dos argumentos de que las teorías originales Grand Tack y Core-Warping Impact no son compatibles, siendo estos 1/
(1) que la probabilidad del escenario original (impacto con el planetesimal de 10 masas terrestres después de que terminó el Grand Tack) es menor de lo anticipado si se tienen en cuenta las órbitas elípticas, y (2) los cinco planetas densamente poblados aumentan la credibilidad demasiado. Si es así, ¿cree que hay algún margen de maniobra en el uso de suposiciones demasiado simplificadas para configurar los modelos originales, que podrían hacer que las versiones de los dos escenarios sean compatibles?
@Astrid_Redfern: Diría que (1) de su primer comentario y (1) del segundo van de la mano, y luego los argumentos de entropía y masa son dos puntos separados. Lo siento si mi escritura no fue lo suficientemente clara al respecto. Supuestos demasiado simplificados, ¿quiere decir si se podrían tomar condiciones iniciales más realistas para que el modelo de impacto lo haga posible? Estoy seguro de que esto sería objeto de investigación actual. Sin embargo, mientras que las cadenas resonantes de igual masa, que se desestabilizan después de la dispersión del disco de gas, ocurren en los modelos de formación de planetas, esta cantidad de masa sólida está en el límite superior que puede construir.
y convertir selectivamente solo uno de los planetas de la cadena resonante de igual masa en un gigante gaseoso también es extraño. Creo que cuanto más realista seas, más difícil se vuelve golpear a Júpiter de manera repetible, de modo que la ocurrencia de este evento es algo sensible como el 50% y no increíblemente improbable. La realidad puede ser estocástica, pero a cierta escuela de nosotros todavía nos gustaría que los modelos de formación del sistema solar produzcan altas probabilidades para los escenarios que imaginamos.
Otro comentario es sobre la necesidad del escenario Grand Tack en sí mismo, que se ideó inicialmente como una forma físicamente coherente de crear un anillo planetesimal entre 0,7 y 1,0-1,5 AU (ya que trabajos anteriores demostraron que se necesita este anillo para construir pequeños anillos de Mercurio). , el pequeño Marte y un cinturón planetesimal de baja masa con e e i excitados.) Un trabajo más nuevo apunta en la dirección de que un Grand Tack podría no ser necesario, y que una migración unidireccional con acreción de guijarros (como el artículo de Pirani et al. al., que ha citado) puede conducir al sistema solar deseado.
Gracias. Así que está diciendo que cree que la teoría del impacto de deformación del núcleo probablemente no sea realista, y que este es el caso independientemente de si la teoría de Grand Tack es cierta o no. Básicamente, ¿se trata más de la plausibilidad del segundo modelo que de su compatibilidad con el primero?
Además, ¿hay alguna explicación alternativa para el núcleo difuso de Júpiter que creas que es más plausible?
Ninguno de los modelos funciona sin problemas graves (algunos señalados anteriormente), por lo que ninguno de ellos es aceptado. Además, la combinación de esos dos escenarios parece difícil, ya que el resultado de la simulación del GT excluye las condiciones iniciales necesarias para el escenario de impacto central. Otra explicación para el núcleo difuso de Júpiter es la erosión del núcleo (Militzer et al. 2011), ya que la roca de silicato se vuelve termodinámicamente inestable en gas H/He bajo alta presión y se disuelve en el gas. Todos esos escenarios son piezas de rompecabezas individuales, todavía no existe ningún rompecabezas terminado.
¿Cuál es el nombre del artículo de Militzer et al?
@Astrid_Redfern: Lo siento, parece que confundí el año. ui.adsabs.harvard.edu/abs/2012ApJ...745...54W/abstract en 2012 para la erosión del hielo de agua a alta presión, ui.adsabs.harvard.edu/abs/2012PhRvL.108k1101W/abstract para MgO, ui.adsabs.harvard.edu/abs/2014ApJ...787...79G/abstract para SiO2. Sin embargo, aplicarlos a los modelos de evolución planetaria sería otro lote de artículos.
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