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