Proto je Země překvapivě nejhustším objektem v naší sluneční soustavě

Ze všech planet, trpasličích planet, měsíců, asteroidů a dalších ve sluneční soustavě může být nejhustší pouze jeden objekt. Možná si myslíte, že na základě skutečnosti, že gravitace je proces na útěku, jenž stále více staví na sobě, že nejhmotnější objekty všech věcí, jako je Jupiter nebo dokonce i Slunce, budou nejhustší, ale jsou méně než čtvrtina hustoty Země.

Můžete jít jinou cestou a myslíte si, že nejhustší by byly také světy, které jsou tvořeny největším podílem nejtěžších prvků. Pokud by tomu tak bylo , nicméně, Merkur by byl nejhustší svět, a to není. Místo toho je ze všech velkých objektů známých ve sluneční soustavě Země nejhustší ze všech. Zde je překvapivá věda proč.

Hustota je jednou z nejjednodušší nepodstatné vlastnosti hmoty, jaké si dokážete představit. Každý objekt, který existuje, od mikroskopického až po astronomický, má v sobě určité množství energie v klidu: to, co běžně nazýváme hmotou. Tyto objekty také zabírají dané množství prostoru ve třech rozměrech: to, co známe jako objem. Hustota je pouze poměr těchto dvou vlastností: hmotnost objektu děleno jeho objemem.

Samotná naše sluneční soustava byla vytvořena před asi 4,5 miliardami let tak, jak jsou formovány všechny sluneční soustavy: z oblaku plyn v oblasti tvorby hvězd, která se smrštila a zhroutila pod svou vlastní gravitací. Nedávno jsme díky observatořím, jako je ALMA (pole Atacama Large Millimeter / submillimetre Array), mohli poprvé přímo zobrazit a analyzovat protoplanetární disky, které se tvoří kolem těchto nově narozených hvězd.

Některé z vlastnosti takového obrazu jsou nápadné. Můžete vidět velký, rozšířený disk kolem nově se formující hvězdy: materiál, který povede k vzniku planet, měsíců, asteroidů, vnějšího (Kuiperova) pásu atd. Můžete viz mezery na disku: místa, kde se již formují masivní objekty, jako jsou planety. Můžete vidět barevně rozlišený teplotní gradient, kde jsou vnitřní oblasti teplejší a vnější oblasti a znovu chladnější.

Ale na obrázku, jako je tento, není vizuálně vidět, je přítomnost a množství různých druhů materiálů. Zatímco složité molekuly a dokonce i organické sloučeniny se vyskytují v systémech, jako je tento, existují tři důležité efekty, které všechny společně určují, které prvky se dostanou do toho, na kterých místech ve sluneční soustavě vzniknou.

Prvním faktorem je gravitace, což je vždy atraktivní síla. V disku hmoty složeném z drobných částic se ty, které jsou blíže k vnitřku disku, budou otáčet kolem středu sluneční soustavy o něco vyšší rychlostí než ty, které jsou o něco dále, a způsobí kolize mezi částicemi, jakmile projdou jednou jiný v tomto orbitálním tanci.

Tam, kde se již vytvořily o něco větší částice nebo kde se menší částice slepí a vytvoří větší, se gravitační síla mírně zvětší, protože overdense region přednostně přitahuje stále více a více okolní hmota. Po tisíce až miliony až desítky milionů let to povede k útěku planet ke vzniku nejhmotnější hmoty na jednom místě nejrychlejším způsobem.

Druhým faktorem je teplota centrální hvězdy, jak se vyvíjí z před -zrození jako molekulární mraky skrz jeho fázi jako protohvězda k jeho dlouhému životu jako plnohodnotné hvězdy. Ve vnitřní oblasti nejblíže hvězdě mohou přežít jen nejtěžší prvky ze všech, protože všechno ostatní je příliš lehké než je to rozbité na kusy intenzivním teplem a zářením. Nejvnitřnější planety budou vyrobeny pouze z kovů.

Mimo to existuje linie mrazu (bez vnitřních těkavých ledů, ale s těkavými ledy), kde se formovaly všechny naše pozemské planety uvnitř linie mrazu. I když jsou tyto linie zajímavé, také nás učí, že ve sluneční soustavě existuje gradient materiálu: nejtěžší prvky se nacházejí v nejvyšším poměru nejblíže centrální hvězdě, zatímco těžší prvky jsou méně hojně dále.

A třetím a posledním prvkem je to, že probíhá složitý gravitační tanec v průběhu času. Planety migrují. Hvězdy se zahřívají a ledy se zbavují tam, kde byly dříve povoleny. Planety, které mohly obíhat naši hvězdu v dřívějších fázích, mohou být vyhozeny, vystřeleny na Slunce nebo spuštěny do srážky a / nebo sloučení s jinými světy.

A pokud se příliš přiblížíte ke hvězdě, která ukotví vaši sluneční soustavu, mohou vnější vrstvy atmosféry hvězdy poskytnout dostatečné tření, které způsobí destabilizaci vaší oběžné dráhy a spirálu do centrální hvězdy sám. Když se podíváme na naši sluneční soustavu dnes, 4,5 miliardy let po vzniku celé věci, můžeme uzavřít strašně mnoho věcí o tom, jaké to musely být v raných fázích. Můžeme dát dohromady obecný obraz toho, co se stalo při vytváření věcí tak, jak jsou dnes.

Ale my všichni odešli, jsou přeživší. To, co vidíme, následuje obecný vzorec, který je velmi v souladu s myšlenkou, že našich osm planet se formovalo zhruba v takovém pořadí, v jakém jsou dnes: Merkur jako nejvnitřnější svět, následovaný Venuší, Zemí, Marsem, pásem asteroidů, poté čtyři plynní obři, každý s vlastním lunárním systémem, Kuiperovým pásem a nakonec s Oortovým mrakem.

Pokud by vše bylo založeno čistě na prvcích, které je tvoří, byla by Merkur nejhustší planetou. Rtuť má vyšší podíl prvků, které jsou v periodické tabulce vyšší než jakýkoli jiný známý svět ve sluneční soustavě. Dokonce i asteroidy, u nichž se jejich těkavé ledy odvařily, nejsou tak husté, jak je Merkur založen pouze na samotných prvcích. Venuše je č. 2, Země je č. 3, následuje Mars, některé asteroidy a potom nejvnitřnější měsíc Jupitera: Io .

Ale to není jen surovinové složení světa, které určuje jeho hustotu. Existuje také otázka gravitační komprese, která má větší vliv na světy, čím větší jsou jejich hmotnosti jsou. To je něco, o čem jsme se hodně naučili studiem planet mimo naši vlastní sluneční soustavu, protože nás naučili, jaké jsou různé kategorie exoplanet. To nám umožnilo odvodit, jaké fyzikální procesy jsou ve hře, které vedou ke světům, které pozorujeme.

Pokud jste níže než dvě masy Země, stanete se skalnatým, pozemským planeta, kde planety s větší hmotou zažívají větší gravitační kompresi.Nad tím začnete viset na plynné obálce hmoty, která „nafoukne“ váš svět a ohromně sníží jeho hustotu, jak budete stoupat ve hmotě, a vysvětlíte, proč je Saturn nejméně hustou planetou. Nad jiným prahem se opět ujala vedení gravitační komprese; Saturn je z 85% fyzickou velikostí Jupiteru, ale má pouze jednu třetinu hmotnosti. A za jiným prahem se zapálí jaderná fúze, která přemění potenciální planetu na hvězdu.

Kdybychom měli svět jako Jupiter, který byl dostatečně blízko Slunci, jeho atmosféra by byla odstraněna, což by odhalilo jádro, které by jistě být hustší než kterákoli z dnešních planet v naší sluneční soustavě. Nejhustší a nejtěžší prvky během formování planety vždy klesají k jádru a gravitace stlačuje toto jádro, aby bylo ještě hustší, než by tomu bylo jinak. Ale na zahradě nemáme žádný takový svět.

Místo toho máme jen relativně těžkou kamennou, suchozemskou planetu: Zemi, nejtěžší svět v naší sluneční soustavě bez velké plynné obálky. Kvůli síla vlastní gravitace, Země je stlačena o několik procent nad to, jak by její hustota byla bez tolik hmoty. Rozdíl stačí k překonání skutečnosti, že je celkově vyrobena z lehčích prvků než je Merkur (někde mezi 2–5%), což je asi o 2% hustší než celkově Merkur.

Pokud byly prvky, ze kterých jste byli vyrobeni, jedinou metrikou, na které záleží na hustotě, pak Merkur by byl bezpochyby nejhustší planetou sluneční soustavy. Bez oceánu nebo atmosféry s nízkou hustotou a vyrobené z těžších prvků na periodické tabulce (v průměru) než jakýkoli jiný objekt v našem sousedství by to trvalo. A přesto Země, téměř třikrát vzdálená od Slunce, vyrobená z lehčích materiálů a s podstatnou atmosférou, piskne dopředu s 2% větší hustotou.

Vysvětlení? Země má dostatek hmoty, aby její vlastní komprese v důsledku gravitace byla významná: téměř tak významná, jakou můžete dosáhnout, než začnete viset na velkém těkavém obalu plynů. Země je blíže tomuto limitu než cokoli jiného v naší sluneční soustavě a kombinace jejího relativně hustého složení a její obrovské vlastní gravitace, protože jsme 18krát hmotnější než Merkur, nás staví osamoceně jako nejhustší objekt naší sluneční soustavy Systém.