Dynamical evolution of the main asteroid belt in the primordial solar system

Abstract

Over the past few decades, our understanding of the evolution of the Solar System has been revolutionized. The once-thought “fixed” orbits of the giant planets are now considered to be products of a violent past, which also affected the rest of the Solar System. Minor bodies, clustered in reservoirs like the Main Asteroid Belt, the Kuiper Belt and the Oort cloud, constitute excellent probes of such evolutionary paths. Considering the “Giant Planet Instability” as a milestone in the history of the Solar System, we characterize as “primordial” the structure of the main asteroid belt that predates this event. This work focuses on understanding the evolution of the primordial asteroid belt during the early phases of our solar system, starting prior to the dispersal of the protoplanetary gas disk and going up to when terrestrial planets formed. It is well-known that an initially ‘flat' disk of asteroids, moving in nearly circular and co-planar orbits, cannot evolve into the currently observed distribution, if the giant planets always followed the same secular evolution; hence the asteroid belt had to be both depleted in mass and excited (at least) in inclination before the planets reached their final configuration. In this study a model is developed that considers Jupiter and Saturn, trapped in a resonant configuration interacting with an initially flat disk of asteroids and a population of mars-sized planetary embryos. At the same time, this system interacts gravitationally with a dispersing gaseous disk. The protoplanetary gas disk makes the precession rates of the longitude of the ascending node and the longitude of perihelion change with time, for all bodies that orbit within it. This results in the occurrence of secular resonances that sweep parts of the main belt, during the dissipation of the disk. A synegry between those mechanisms provides, under certain conditions, as explained in our results, an explanation for the primordial structure of the main asteroid belt and the mass and orbital distribution of terrestrial planets.

Τις τελευταίες δεκαετίες η κατανόησή μας για την εξέλιξη του Ηλιακού Συστήματος έχει βελτιωθεί σε μεγάλο βαθμό. Οι πάλαι ποτέ θεωρούμενες «στατικές» τροχιές των γιγάντων πλανητών, πιστεύουμε πλέον πως είναι αποτέλεσμα ενός βίαιου παρελθόντος, το οποίο επηρέασε και το υπόλοιπο Ηλιακό Σύστημα. Οι ελάσσονες πλανήτες, συγκεντρωμένοι σε πληθυσμούς όπως η Κυρια Ζώνη των Αστεροειδών, η ζώνη του Κάιπερ και το νέφος του Όορτ αποτελούν αξιόπιστα μέσα για την εξερεύνηση αυτού του εξελικτικού μονοπατιού. Θεωρώντας την «Αστάθεια των Γιγάνων Πλανητών» ως ένα ορόσημο στην ιστορία του Ηλιακού Συστήματος, χαρακτηρίζουμε ως «πρώιμη» την δομή της κύριας ζώνης των αστεροειδών που προϋπάρχει αυτού του γεγονότος. Η παρούσα εργασία εστιάζει στην εξέλιξη της πρώιμης ζώνης των αστεροειδών κατά τα πρώτα στάδια της ζωής του Ηλιακού Συστήματος, ξεκινώντας πριν απο τη διάλυση του πρωτοπλανητικού δίσκου αερίου και εκτείνεται μέχρι τη δημιουργία των γήινων πλανητών. Είναι ευρέως αποδεκτό οτι ένας αρχικά «επίπεδος» δίσκος αστεροειδών, κινούμενων σε σχεδόν κυκλικές και συνεπίπεδες τροχιές δεν μπορεί να εξελιχθεί στην σημερινή παρατηρήσιμη κατανομή εαν οι γίγαντες πλανήτες ακολουθούσαν για πάντα τις ίδιες αναλλοίωτες τροχιές. Συνεπώς η Κύρια Ζώνη των Αστεροειδών πρέπει να είχε υποστεί απώλεια μάζας και διέγερση στις κλίσεις και εκκεντρότητες των τροχιών, πριν οι πλανήτες φθάσουν στην τελική τους θέση. Στο μοντέλο ελέλιξης του πρώιμου Ηλιακού Συστήματος που κατασκευάσαμε, θεωρήσαμε το Δία και τον Κρόνο παγιδευμένους σε συντονισμό μέσης κίνησης, οι οποίοι αλληλεπιδρούν βαρυτικά με έναν αρχικά επίπεδο δίσκο αστεροειδών και έναν πληθυσμό πλανητικών εμβρύων με μάζες ίσες με του Άρη. Ταυτόχρονα το όλο σύστημα βρίσκεται στο βαρυτικό πεδίο του συνεχώς εξαντλούμενου δίσκου αερίου. Ο δίσκος αυτός μεταβάλλει με το χρόνο το ρυθμό μετάπτωσης του μήκους του αναβιβάζοντος συνδέσμου και του μήκους του περιηλίου των τροχιών όλων των σωμάτων που κινούνται μέσα σε αυτόν. Αυτό οδηγεί στην εμφάνιση αιώνιων συντονισμών οι οποίοι σαρώνουν ολόκληρη ή μέρη της Κύριας Ζώνης καθώς ο δίσκος διαλύεται. Η συνέργεια όλων αυτών των μηχανισμών μπορεί κάτω απο συγκεκριμένες συνθήκες, όπως φανερώνουν τα αποτελέσματά μας, να εξηγήσει την πρώιμη κατανομή της Κύριας Ζώνης των αστεροειδών, όπως επίσης την κατανομή της μάζας και των τροχιών των γήινων πλανητών.