De otte planeter i vores solsystem og vores Sol, for at skalere i størrelse, men ikke med hensyn til orbitale … afstande. Bemærk, at dette er de eneste otte objekter, der opfylder alle tre planetariske kriterier som beskrevet af IAU, og at de kredser rundt om solen inden for få få grader af det samme plan som hinanden.
Wikimedia Commons-bruger WP
Af alle planeter, dværgplaneter, måner, asteroider og mere i solsystemet kan kun et objekt være det tætteste. Man tror måske, baseret på det faktum, at tyngdekraft er en løbende proces, der bare bygger på sig selv i større og større grad, at de mest massive genstande af alle ting som Jupiter eller endda solen ville være tættest, men de er mindre end en fjerdedel af Jordens tæthed.
Du kan muligvis gå en anden rute og tro, at de verdener, der er lavet af den største andel af de tungeste elementer, også ville være de tætteste. Hvis det var tilfældet dog ville Kviksølv være den tætteste verden, og det er ikke det. I stedet for alle de store genstande, der er kendt i solsystemet, er Jorden den tætteste af alle. Her er den overraskende videnskab om hvorfor.
En sammenligning af planeterne i solsystemet efter størrelse. Jordens radius er kun 5% større end … Venus, men Uranus og Neptun har fire gange radius af vores verden.
Lsmpascal fra Wikimedia Commons
Densitet er en af de de mest enkle ikke-grundlæggende egenskaber ved stof, du kan forestille dig. Ethvert objekt, der eksisterer, fra det mikroskopiske til det astronomiske, har en vis mængde energi i hvile, der er iboende for det: det, vi ofte kalder masse. Disse objekter optager også en given plads i tre dimensioner: hvad vi kender som volumen. Densitet er bare forholdet mellem disse to egenskaber: massen af et objekt divideret med dets volumen.
Selve vores solsystem blev dannet for omkring 4,5 milliarder år siden, som alle solsystemer er dannet: fra en sky af gas i et stjernedannende område, der trak sig sammen og kollapsede under sin egen tyngdekraft. For nylig har vi takket være observatorier som ALMA (Atacama Large Millimeter / submillimetre Array) været i stand til direkte at afbilde og analysere de protoplanetære diske, der dannes omkring disse nyfødte stjerner for første gang.
Den protoplanetære disk omkring den unge stjerne, HL Tauri, som fotograferet af ALMA. Hullerne i … disken indikerer tilstedeværelsen af nye planeter, mens spektroskopiske målinger afslører et stort antal og mangfoldighed af organiske, kulstofholdige forbindelser.
ALMA (ESO / NAOJ / NRAO)
Nogle af de træk ved et billede som dette er slående. Du kan se en stor, udvidet disk omkring en nydannende stjerne: det materiale, der vil give anledning til planeter, måner, asteroider, et ydre (Kuiper-lignende) bælte osv. Du kan se huller i disken: steder, hvor massive genstande som planeter allerede dannes. Du kan se en farvekodet temperaturgradient, hvor de indre regioner er varmere og de ydre regioner en re koldere.
Men hvad du ikke kan se visuelt fra et billede som dette, er tilstedeværelsen og overfloden af de forskellige typer materialer. Mens komplekse molekyler og endda organiske forbindelser findes i forskellige systemer som dette, er der tre vigtige effekter, som alle arbejder sammen for at bestemme, hvilke elementer der vinder op på hvilke steder i solsystemet, der resulterer.
En illustration af en protoplanetær disk, hvor planeter og planetesimaler først dannes, hvilket skaber … “huller” i disken, når de gør det. Så snart den centrale proto-stjerne bliver varm nok, begynder den at sprænge de letteste elementer fra de omkringliggende protoplantære systemer. En planet som Jupiter eller Saturn har tilstrækkelig tyngdekraft til at holde fast i de letteste grundstoffer som brint og helium, men en verden med lavere masse som Jorden har ikke.
NAOJ
Den første faktor er tyngdekraften, som altid er en tiltrækkende kraft. I en materielskive, der består af små partikler, vil de, der er tættere på det indre af disken, dreje rundt om solsystemets centrum ved lidt højere hastigheder end dem, der er lidt længere ude, hvilket forårsager kollisioner mellem partikler, når de passerer en. en anden i denne orbitaldans.
Hvor der allerede er dannet lidt større partikler, eller hvor mindre partikler hænger sammen for at danne større, bliver tyngdekraften lidt større, da det at have en overdreven region fortrinsvis tiltrækker mere og mere af den omkringliggende masse. Over tusinder til millioner til titusindvis af millioner år vil dette føre til en løbende dannelse af planeter, uanset hvor de steder, der tilfældigvis skabte mest masse på et sted, hurtigst.
En skematisk oversigt over en protoplanetær disk, der viser sot- og frostlinjerne.For en stjerne som solen, … skøn sætter Frostlinjen et sted omkring tre gange den oprindelige afstand mellem jord og sol, mens sodlinjen er betydeligt længere inde. Den nøjagtige placering af disse linjer i vores solsystems fortid er svært at fastgøre.
NASA / JPL-Caltech, annonationer af Invader Xan
Den anden faktor er den centrale stjernes temperatur, når den udvikler sig fra dens præ -fødsel som en molekylær sky gennem sin fase som en proto-stjerne til sin lange levetid som en fuldgyldig stjerne. I det indre område tættest på stjernen er det kun de tungeste elementer af alle, der kan overleve, da alt andet er for let til det sprænges fra hinanden af intens varme og stråling. De mest indvendige planeter vil være lavet af metaller alene.
Uden for det er der en frostlinje (uden flygtigt isinteriør til det, men med flygtige is ud over det), hvor vores jordiske planeter alle dannede Mens disse linjer er interessante, lærer det os også, at der er en gradient af materiale, der dannes i solsystemet: de tungeste elementer findes i den højeste andel tættest på den centrale stjerne, mens de tungere elementer er mindre rigeligt længere væk.
Når solsystemer generelt udvikler sig, fordampes flygtige materialer, planeter udskiller stof, … planetesimals fusionerer sammen eller gravitationsmæssigt interagerer og skubber kroppe ud, og baner migrerer til stabile konfigurationer. Gaskæmpeplaneterne kan dominere vores solsystems dynamik tyngdekraftigt, men de indre, stenede planeter er, hvor al den interessante biokemi sker, så vidt vi ved. I andre solsystemer kan historien være meget forskellig, afhængigt af hvor de forskellige planeter og måner ender med at migrere til.
Wikimedia Commons-bruger AstroMark
Og det tredje og sidste element er, at der er en indviklet gravitationsdans, der finder sted over tid. Planeter migrerer. Stjerner opvarmes, og is fjernes, hvor de var tilladt en gang før. Planeter, der måske har kredset om vores stjerne i tidligere faser, kan blive skubbet ud, skudt i solen eller udløst til at kollidere med og / eller fusionere med andre verdener.
Og hvis du kommer for tæt på stjernen, der forankrer dit solsystem, kan de ydre lag i stjernens atmosfære give tilstrækkelig friktion til at få din bane til at destabilisere og spiral ind i den centrale stjerne sig selv. Når vi ser på vores solsystem i dag, 4,5 milliarder år efter at det hele blev dannet, kan vi konkludere forfærdeligt mange ting om, hvordan tingene skal have været i de tidlige stadier. Vi kan sammensætte et generelt billede af, hvad der skete for at skabe ting, som de er i dag.
En illustration af, hvordan en synestia kan se ud : en opblæst ring, der omgiver en planet … efter en højenergi, stor vinkelmomentpåvirkning. Det antages nu, at vores måne blev dannet af en tidlig kollision med Jorden, der skabte et sådant fænomen.
Sarah Stewart / UC Davis / NASA
Men alt hvad vi har forladt er de overlevende. Det, vi ser, følger et generelt mønster, der “er meget i overensstemmelse med ideen om, at vores otte planeter dannede sig omtrent i den rækkefølge, de” er i dag: Kviksølv som den inderste verden, efterfulgt af Venus, Jorden, Mars, asteroidebæltet, derefter fire gaskæmper hver med deres eget månesystem, Kuiper-bæltet og til sidst Oort-skyen.
Hvis alt var baseret udelukkende på de elementer, der udgjorde dem, ville Kviksølv være den tætteste planet. Kviksølv har en højere andel af elementer, der er højere på det periodiske system sammenlignet med nogen anden kendt verden i solsystemet. Selv asteroiderne, der har fået kogt deres flygtige is, er ikke så tætte, da Kviksølv er baseret på elementer alene. Venus er nr. 2, Jorden er nr. 3, efterfulgt af Mars, nogle asteroider, og derefter Jupiters inderste måne: Io .
Densiteter af forskellige kroppe i solsystemet. Bemærk forholdet mellem tæthed og afstand … fra solen, ligheden mellem Triton og Pluto, og hvordan selv satellitterne fra Jupiter, fra Io til Callisto, varierer i densitet så enormt.
Karim Khaidarov
Men det er ikke kun en verdens råmaterialesammensætning, der bestemmer dens densitet. Der er også spørgsmålet om tyngdekraftskompression, som har en større effekt for verdener jo større deres masser er. Dette er noget, vi har lært meget om ved at studere planeter ud over vores eget solsystem, da de har lært os, hvad de forskellige kategorier af exoplanet er. Dette tillod os at udlede, hvilke fysiske processer der er i spil, der fører til de verdener, vi observerer.
Hvis du er under omkring to jordmasser, vil du være en stenet, jordlignende planet med større masseplaneter, der oplever mere tyngdekraftkompression.Over det begynder du at hænge på en gasformig kappe af stof, som “puffer” din verden ud og falder dens densitet enormt, når du går op i masse og forklarer, hvorfor Saturn er den mindst tætte planet. Over en anden tærskel tager tyngdekraftskompression føringen igen; Saturn er 85% af den fysiske størrelse af Jupiter, men kun en tredjedel af massen. Og ud over en anden tærskel antændes nuklear fusion og omdanner en fremtidig planet til en stjerne.
Det bedste evidensbaserede klassifikationsskema for planeter er at kategorisere dem som enten stenede, … Neptunlignende, Jupiter-lignende eller stjernelignende. Bemærk, at “linjen”, som planeterne følger, indtil de når ~ 2 jordmasser altid forbliver under alle de andre verdener på kortet, når du fortsætter ekstrapoleringen.
Chen and Kipping, 2016, via https://arxiv.org/pdf/1603.08614v2.pdf
Hvis vi havde en verden som Jupiter, der var tæt nok på Solen, ville dens atmosfære fjernes og afsløre en kerne, der helt sikkert ville være tættere end nogen af planeterne i vores solsystem i dag. De tætteste, tungeste elementer synker altid ned til kernen under planetdannelse, og tyngdekraften komprimerer den kerne for at være endnu tættere, end den ellers ville have været. Men vi har ikke en sådan verden i vores baghave.
I stedet har vi bare en relativt tung stenet, jordbaseret planet: Jorden, den tungeste verden i vores solsystem uden en stor luftformig kuvert. På grund af kraften ved sin egen tyngdekraft komprimeres jorden med et par procent over, hvad dens densitet ville have været uden så meget masse. Forskellen er nok til at overvinde det faktum, at den er lavet af lettere elementer generelt end kviksølv er (et sted mellem 2-5%) for at gøre det ca. 2% tættere end kviksølv samlet.
Efter vores bedste overbevisning og med de bedste målinger til vores rådighed har vi bestemt, at … Jorden er den tætteste planet af alle i solsystemet: ca. 2% tættere end kviksølv og ca. 5% tættere end Venus. Ingen anden planet, måne eller endda asteroide kommer tæt på.
NASA
Hvis de elementer, du var lavet af, var den eneste måling, der havde betydning for densitet, så Kviksølv ville uden tvivl være den tætteste planet i solsystemet. Uden et hav eller en atmosfære med lav densitet og lavet af tungere elementer på det periodiske system (i gennemsnit) end noget andet objekt i vores kvarter, ville det tage kagen. Og alligevel jorden, næsten tre gange så fjernt fra solen, lavet af lettere materialer og med en betydelig atmosfære, knirker fremad med en 2% større tæthed.
Forklaringen? Jorden har nok masse til, at dens selvkomprimering på grund af tyngdekraften er signifikant: næsten lige så vigtig som du kan få, før du begynder at hænge på en stor, flygtig hylster af gasser. Jorden er tættere på denne grænse end noget andet i vores solsystem, og kombinationen af dens relativt tætte sammensætning og dens enorme egenvægt, da vi er 18 gange så massive som kviksølv, placerer os alene som det tætteste objekt i vores sol System.