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Les collisions dans les systèmes planétaires
Leur rôle et les outils numériques au travers de quelques exemples
Sébastien Charnoz
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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…
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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
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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
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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.
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AboveLeft Side
From behind
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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)
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Une simulation Numérique
Apparition de protoplanètes (taille lunaire à martienne)
Nakamura et al.
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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.
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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
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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)
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Experimentations en laboratoires + comparaisons sim. SPH
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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.
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Patrick Michel et al. (Obs. Nice)Impact d’une bille de nylon sur une boule de basalte(5km/s)
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Interactions satellites/anneaux
Charnoz, Déau, Brahic etc.., Science 2005
Rencontre à longue distance : résonance
Rencontre proche : collision physique + gravité
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Prométhée rencontre l’anneau F
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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
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360° PROFILE OF THE F RING ONNOVEMBER 2004
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The Spiral is confirmed in NOVEMBER 2004, APRIL and MAY 2005
Multiple starting spirals ?The spiral must rotate at local orbital speed !!
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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
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Rencontre gravitationnelle avec l’anneau
Charnoz et al.
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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.
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… A French croissant !!!
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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
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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