Aus diesem Grund ist die Erde überraschenderweise das dichteste Objekt in unserem Sonnensystem.

Von allen Planeten, Zwergplaneten, Monden, Asteroiden und mehr im Sonnensystem kann nur ein Objekt das dichteste sein. Man könnte denken, basierend auf der Tatsache, dass die Gravitation ein außer Kontrolle geratener Prozess ist, der immer mehr auf sich selbst aufbaut, dass die massereichsten Objekte aller Dinge wie Jupiter oder sogar die Sonne am dichtesten wären, aber sie sind kleiner als ein Viertel der Dichte der Erde.

Sie könnten einen anderen Weg gehen und denken, dass die Welten, die aus dem größten Anteil der schwersten Elemente bestehen, auch die dichtesten wären. Wenn dies der Fall wäre Merkur wäre jedoch die dichteste Welt, und das ist es nicht. Stattdessen ist die Erde von allen großen Objekten, die im Sonnensystem bekannt sind, das dichteste von allen. Hier ist die überraschende Wissenschaft, warum.

Dichte ist eine der einfachste nicht fundamentale Eigenschaften der Materie, die Sie sich vorstellen können. Jedes existierende Objekt, vom mikroskopischen bis zum astronomischen, hat eine gewisse Menge an ruhender Energie: das, was wir üblicherweise Masse nennen. Diese Objekte nehmen auch in drei Dimensionen einen bestimmten Raum ein: das, was wir als Volumen kennen. Die Dichte ist nur das Verhältnis dieser beiden Eigenschaften: die Masse eines Objekts geteilt durch sein Volumen.

Unser Sonnensystem selbst wurde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren so geformt, wie alle Sonnensysteme gebildet werden: aus einer Wolke von Gas in einer sternbildenden Region, das sich unter seiner eigenen Schwerkraft zusammenzog und zusammenbrach. Dank Observatorien wie ALMA (Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array) konnten wir kürzlich erstmals die protoplanetaren Scheiben, die sich um diese neugeborenen Sterne bilden, direkt abbilden und analysieren.

Einige der Merkmale eines solchen Bildes sind auffällig. Sie können eine große, ausgedehnte Scheibe um einen sich neu bildenden Stern sehen: das Material, aus dem Planeten, Monde, Asteroiden, ein äußerer (Kuiper-ähnlicher) Gürtel usw. entstehen Lücken in der Scheibe sehen: Stellen, an denen sich bereits massive Objekte wie Planeten bilden. Sie können einen farbcodierten Temperaturgradienten sehen, bei dem die inneren Bereiche heißer und die äußeren Bereiche a sind re kälter.

Aber was Sie auf einem Bild wie diesem nicht visuell sehen können, ist das Vorhandensein und die Fülle der verschiedenen Arten von Materialien. Während komplexe Systeme und sogar organische Verbindungen in solchen Systemen vorkommen, gibt es drei wichtige Effekte, die alle zusammenarbeiten, um zu bestimmen, welche Elemente an welchen Stellen im Sonnensystem landen.

Der erste Faktor ist die Gravitation, die immer eine anziehende Kraft ist. In einer Materie-Scheibe, die aus winzigen Partikeln besteht, drehen sich diejenigen, die näher am Inneren der Scheibe liegen, mit etwas höheren Geschwindigkeiten um das Zentrum des Sonnensystems als diejenigen, die etwas weiter entfernt sind, und verursachen Kollisionen zwischen Partikeln, wenn sie an einem vorbeikommen eine andere in diesem Orbitaltanz.

Wo sich bereits etwas größere Partikel gebildet haben oder wo kleinere Partikel zusammenkleben, um größere zu bilden, wird die Gravitationskraft etwas größer, da ein überdichter Bereich vorzugsweise immer mehr von anzieht Die umgebende Masse. Über Tausende bis Millionen bis Zehntausende von Jahren wird dies zur außer Kontrolle geratenen Bildung von Planeten führen, an welchen Orten auch immer die meisten Massen an einem Ort am schnellsten angesammelt sind.

Der zweite Faktor ist die Temperatur des Zentralsterns, wie er sich aus seiner Vorstufe entwickelt – Geburt als Molekülwolke durch seine Phase als Protostern bis zu seiner langen Lebensdauer als vollwertiger Stern. In der dem Stern am nächsten gelegenen inneren Region können nur die schwersten Elemente von allen überleben, da alles andere zu leicht ist es wird durch die intensive Hitze und Strahlung auseinander gesprengt. Die innersten Planeten werden nur aus Metallen bestehen.

Außerhalb davon gibt es eine Frostlinie (ohne flüchtiges Eis im Inneren, aber mit flüchtigem Eis darüber hinaus), wo sich alle unsere terrestrischen Planeten gebildet haben Während diese Linien interessant sind, lehrt sie uns auch, dass es einen Gradienten des Materials gibt, der sich im Sonnensystem bildet: Die schwersten Elemente befinden sich im höchsten Anteil, der dem Zentralstern am nächsten liegt, während die schwereren Elemente weniger sind reichlich weiter entfernt.

Und das dritte und letzte Element ist, dass ein komplizierter Gravitationstanz stattfindet Im Laufe der Zeit wandern Planeten. Sterne erhitzen sich und Eis wird dort entfernt, wo es einmal erlaubt war. Planeten, die unseren Stern in früheren Stadien umkreist haben, können ausgeworfen, in die Sonne geschossen oder zum Kollidieren und / oder Verschmelzen gebracht werden mit anderen Welten.

Und wenn Sie dem Stern, der Ihr Sonnensystem verankert, zu nahe kommen, können die äußeren Schichten der Sternatmosphäre genügend Reibung erzeugen, damit sich Ihre Umlaufbahn destabilisiert und in den Zentralstern spiralförmig verläuft selbst. Wenn wir unser Sonnensystem heute, 4,5 Milliarden Jahre nach der Entstehung des Ganzen, betrachten, können wir eine Menge Dinge darüber schließen, wie die Dinge in den frühen Stadien gewesen sein müssen. Wir können ein allgemeines Bild davon zusammenstellen, was passiert ist, um Dinge so zu erschaffen, wie sie heute sind.

Aber wir alle übrig sind die Überlebenden. Was wir sehen, folgt einem allgemeinen Muster, das sehr im Einklang mit der Vorstellung steht, dass sich unsere acht Planeten in ungefähr der Reihenfolge gebildet haben, in der sie sich heute befinden: Merkur als innerste Welt, gefolgt von Venus, Erde, Mars, dem Asteroidengürtel, dann dem vier Gasriesen mit jeweils eigenem Mondsystem, dem Kuipergürtel und schließlich der Oort-Wolke.

Wenn alles nur auf den Elementen basieren würde, aus denen sie bestehen, wäre Merkur der dichteste Planet. Quecksilber hat einen höheren Anteil an Elementen, die im Periodensystem höher sind als in jeder anderen bekannten Welt im Sonnensystem. Sogar die Asteroiden, deren flüchtiges Eis abgekocht ist, sind nicht so dicht wie Merkur. Sie basieren auf Elementen allein. Venus ist die Nummer 2, die Erde die Nummer 3, gefolgt vom Mars, einigen Asteroiden und dann Jupiters innerstem Mond: Io

Aber es ist nicht nur die Rohstoffzusammensetzung einer Welt, die ihre Dichte bestimmt. Es gibt auch das Problem der Gravitationskompression, die für Welten eine größere Wirkung hat, je größer ihre Massen sind sind. Dies ist etwas, worüber wir viel gelernt haben, indem wir Planeten jenseits unseres eigenen Sonnensystems untersucht haben, da sie uns die verschiedenen Kategorien von Exoplaneten beigebracht haben. Auf diese Weise können wir ableiten, welche physikalischen Prozesse zu den von uns beobachteten Welten führen.

Wenn Sie sich unter zwei Erdmassen befinden, werden Sie felsig und terrestrisch Planet, mit Planeten mit größerer Masse, die eine stärkere Gravitationskompression erfahren.Darüber hinaus fangen Sie an, an einer gasförmigen Hülle aus Materie zu hängen, die Ihre Welt „aufbläst“ und ihre Dichte enorm verringert, wenn Sie an Masse zunehmen, was erklärt, warum Saturn der am wenigsten dichte Planet ist. Oberhalb einer anderen Schwelle übernimmt die Gravitationskompression wieder die Führung; Saturn ist 85% der physischen Größe von Jupiter, aber nur ein Drittel der Masse. Und jenseits einer anderen Schwelle entzündet sich die Kernfusion und verwandelt einen potenziellen Planeten in einen Stern.

Wenn wir eine Welt wie Jupiter hätten, die nah genug an der Sonne wäre, würde ihre Atmosphäre entfernt und ein Kern enthüllt, der dies mit Sicherheit tun würde Sei dichter als jeder der Planeten in unserem heutigen Sonnensystem. Die dichtesten und schwersten Elemente sinken während der Planetenbildung immer zum Kern, und die Gravitation komprimiert diesen Kern, um noch dichter zu sein, als es sonst gewesen wäre. Aber wir haben keine solche Welt in unserem Hinterhof.

Stattdessen haben wir nur einen relativ schweren felsigen, terrestrischen Planeten: die Erde, die schwerste Welt in unserem Sonnensystem ohne große gasförmige Hülle Aufgrund der Kraft seiner eigenen Gravitation wird die Erde um einige Prozent gegenüber ihrer Dichte ohne so viel Masse komprimiert. Der Unterschied reicht aus, um die Tatsache zu überwinden, dass sie insgesamt aus leichteren Elementen besteht als Merkur (irgendwo dazwischen) 2-5%), um es insgesamt etwa 2% dichter als Quecksilber zu machen.

Wenn die Elemente, aus denen Sie gemacht wurden, die einzige Metrik waren, die für die Dichte von Bedeutung war, dann Merkur wäre ohne Zweifel der dichteste Planet im Sonnensystem. Ohne einen Ozean oder eine Atmosphäre mit geringer Dichte und aus schwereren Elementen im Periodensystem (im Durchschnitt) als jedes andere Objekt in unserer Nachbarschaft würde es den Kuchen nehmen. Und doch quietscht die Erde, fast dreimal so weit von der Sonne entfernt, aus leichteren Materialien und mit einer beträchtlichen Atmosphäre, mit einer um 2% höheren Dichte voraus.

Die Erklärung? Die Erde hat genug Masse, dass ihre Selbstkompression aufgrund der Gravitation signifikant ist: fast so signifikant wie möglich, bevor Sie anfangen, an einer großen, flüchtigen Hülle aus Gasen zu hängen. Die Erde ist näher an dieser Grenze als alles andere in unserem Sonnensystem, und die Kombination ihrer relativ dichten Zusammensetzung und ihrer enormen Selbstgravitation, da wir 18-mal so massereich sind wie Merkur, macht uns allein zum dichtesten Objekt in unserem Sonnensystem System.