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Les collisions dans les systèmes planétaires
Leur rôle et les outils numériques au travers de quelques exemples
Sébastien Charnoz
Les collisions agissent à TOUTES les étapes d’évolution des systèmes planétaires
Accrétion des planétésimaux
Accrétion/destruction des embryons planétaires
Evolution des ceintures de débris (Astéroïdes, Kuiper)
Rencontres comètes-planètes
Rencontres avec les anneaux
Etc…
Formation de planètes dans le disque protoplanétaire: Rappel
Scénario standard : Coagulation des éléments lourds (poussières …)
Mélange gaz + poussière
Sédimentation dans le plan équatorial
Collage des planétésimaux(Runaway Growth)
Collisions géantes, dissipation nébuleuse
Formation des planétésimaux
MAIS Le rôle des collisions peut-être très différent en fonction de l’étape que l’on étudie !!
Coalescence ou Fragmentation
Les outils numériques sont très différents aussi !
Statistique – N-Corps - SPH
En fonction de l’effet des collision, l’évolution globale duSystème en sera profondément affecté
Accretion of planetesimal in the solar nebula has :
A shape similar to a Hill sphere… A circular/non-inclined orbit
Early stages of accretion of planetesimals
GAZ FREE !
Charnoz et al.
AboveLeft Side
From behind
Accrétion des planétésimauxPour former des embryons
Les planétésimaux apparaissent sur des orbites circulairesTaille ~ 10 KmV_evasion ~ 10 m/s
V_rencontre ~ V_evasion
Les collisions se traduisent par l’accrétion des corps
COLLAGE GRAVITATIONNEL ( Le plus facile à modéliser)
Une simulation Numérique
Apparition de protoplanètes (taille lunaire à martienne)
Nakamura et al.
Cette étape se simule bien en utilisant une approche « statistique »Equation de Coagulation(Schomulosky)
La collision proprement dite n’estpas modélisée
C’est l’évolution du systèmeque l’on suit
Voir le prochain seminaire *Multi-echelle
Greenberg et al.
L’époque des embryons planétaires
Les embryons planétaires subissent des collisions=> Plus complexe a simuler car l’accretion n’est plus parfaite
Canup et al.
Ex : formation de la lune
Explique bien les abondancesisotopiques
Rem : taille : Lune-Mars, Vimpact~ 10 Km/sCollision physiqueFracturation, erosion etc…Necessite : equation d’etatDes solides, phys. De la fracturation
Erosion des ceintures de débris
Kuiper et la ceinture d’astéroïdes ont un déficit de massed’environ 1000 !!
Vitesse impact ~ Km/s
Plusieurs scénarios : éjection dynamique ou érosion collisionnelle
Necessité de BIEN connaître la physique de la fracturation MAL connu ! Gravité + Physique de la fracturation
Soit les corps ont une résistance mécanique => SPH(Benz, Asphaug, Michel à Nice etc…)
Soit ils n’en ont pas => Rubble PileRebond+gravité (idem simulations Saturne)
Experimentations en laboratoires + comparaisons sim. SPH
Movie1movie2
Simulations de collision entre rubble piles
Interet : Il est possible que lamasse des astéroides soit le produitDe fragmentation de qq gros corps seulement!
Michel et al.
Charnoz (pourSaturne)
Richardson et al.
Patrick Michel et al. (Obs. Nice)Impact d’une bille de nylon sur une boule de basalte(5km/s)
Interactions satellites/anneaux
Charnoz, Déau, Brahic etc.., Science 2005
Rencontre à longue distance : résonance
Rencontre proche : collision physique + gravité
Prométhée rencontre l’anneau F
F ring core
Strands
Since Voyager the F ring is known to be surrounded by « parrallel » ringlets called « strands » on both sides, with changing appearance.
Murray et al. 1997, Showalter 2004
Cassini images
360° PROFILE OF THE F RING ONNOVEMBER 2004
The Spiral is confirmed in NOVEMBER 2004, APRIL and MAY 2005
Multiple starting spirals ?The spiral must rotate at local orbital speed !!
F ring core
A cloud of particles released from the core WILL form a spiral because of KEPLERIAN SHEAR
radi
al d
ista
nce
V-
V+
F ring core
F ring core
T0
T1
T2
Longitudinal spreading , BUT NOT radial spreading
Rencontre gravitationnelle avec l’anneau
Charnoz et al.
Simulation : a piece of ring with 0.02° deg extension, 30000 particles
Rencontre Physique avec l’anneau
MOVIE OF ENCOUNTER X Y PLANE
DX
DY S6
Charnoz et al.
… A French croissant !!!
Evolution of ejecta due to keplerian shear : formation of a spiral
Caution :DT=2 Prometheus orbitsJ2 & J4=0 in the movie
Prometheus is HERE at perihelion
Core
Scattered particles by a nearby satellite
CONCLUSION
Les collisions sont un facteur d’évolution MAJEUR dans les Systèmes Planétaires. Difficulté : Une collision est Gravitationnelle + Physique !!Leur rôle et les outils pour les étudier varient grandement Exemples
Accrétantes : formation des planètes , Ncorps+coll etc..
Destructrices : erosion des ceintures de petit corps , SPH, Hydro etc..
Gravitationnelles : interactions satellites anneaux, Ncorps
La physique de la fragmentation est fort mal comprise.Sa compréhension est nécessaire pour comprendre l’évolutionDe Kuiper, Astéroides et des planétésimaux
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