Los ocho planetas de nuestro Sistema Solar y nuestro Sol, a escala en tamaño pero no en términos de distancias orbitales … Tenga en cuenta que estos son los únicos ocho objetos que cumplen con los tres criterios planetarios establecidos por la IAU, y que orbitan alrededor del Sol dentro de unos pocos grados del mismo plano entre sí.
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De todos los planetas, planetas enanos, lunas, asteroides y más en el Sistema Solar, solo un objeto puede ser el más denso. Podría pensar, basándose en el hecho de que la gravitación es un proceso descontrolado que se construye sobre sí mismo en un grado cada vez mayor, que los objetos más masivos de todas las cosas como Júpiter o incluso el Sol serían más densos, pero «son menos que una cuarta parte de la densidad de la Tierra.
Puede tomar una ruta diferente y pensar que los mundos que están hechos de la mayor proporción de los elementos más pesados también serían los más densos. Si ese fuera el caso , sin embargo, Mercurio sería el mundo más denso, y no lo es. En cambio, de todos los objetos grandes que se conocen en el Sistema Solar, la Tierra es el más denso de todos. Aquí está la ciencia sorprendente de por qué.
Una comparación de los planetas del Sistema Solar por tamaño. El radio de la Tierra es solo 5% más grande que … Venus, pero Urano y Neptuno tienen cuatro veces el radio de nuestro mundo.
Lsmpascal de Wikimedia Commons
La densidad es una de las las propiedades no fundamentales más simples de la materia que puedas imaginar. Todo objeto que existe, desde lo microscópico hasta lo astronómico, tiene una cierta cantidad de energía en reposo intrínseca a él: lo que comúnmente llamamos masa. Estos objetos también ocupan una determinada cantidad de espacio en tres dimensiones: lo que conocemos como volumen. La densidad es solo la proporción de estas dos propiedades: la masa de un objeto dividida por su volumen.
Nuestro propio Sistema Solar se formó hace unos 4.500 millones de años de la misma forma en que se forman todos los sistemas solares: a partir de una nube de gas en una región de formación de estrellas que se contrajo y colapsó por su propia gravedad. Recientemente, gracias a observatorios como ALMA (Atacama Large Millimeter / submillimetre Array), hemos podido obtener imágenes y analizar directamente los discos protoplanetarios que se forman alrededor de estas estrellas recién nacidas por primera vez.
El disco protoplanetario alrededor de la estrella joven, HL Tauri, fotografiado por ALMA. Los espacios en el disco … indican la presencia de planetas nuevos, mientras que las mediciones espectroscópicas revelan una gran cantidad y diversidad de compuestos orgánicos que contienen carbono.
ALMA (ESO / NAOJ / NRAO)
Algunas de las Las características de una imagen como esta son sorprendentes. Puede ver un disco grande y extendido alrededor de una estrella recién formada: el material que dará lugar a planetas, lunas, asteroides, un cinturón exterior (tipo Kuiper), etc. ver espacios en el disco: ubicaciones donde ya se están formando objetos masivos como planetas. Puede ver un gradiente de temperatura codificado por colores, donde las regiones internas son más calientes y las regiones externas un son más fríos.
Pero lo que no se puede ver visualmente en una imagen como ésta es la presencia y abundancia de los diferentes tipos de materiales. Si bien se encuentran moléculas complejas e incluso compuestos orgánicos en sistemas como este, hay tres efectos importantes que trabajan juntos para determinar qué elementos terminan en qué ubicaciones del Sistema Solar que resultan.
Una ilustración de un disco protoplanetario, donde los planetas y los planetesimales se forman primero, creando … «espacios» en el disco cuando lo hacen. Tan pronto como la protoestrella central se calienta lo suficiente, comienza a expulsar los elementos más ligeros de los sistemas protoplantarios circundantes. Un planeta como Júpiter o Saturno tiene suficiente gravedad para retener los elementos más ligeros como el hidrógeno y el helio, pero un mundo de menor masa como la Tierra no.
NAOJ
El primer factor es la gravitación, que siempre es una fuerza atractiva. En un disco de materia formado por partículas diminutas, las que están más cerca del interior del disco girarán alrededor del centro del sistema solar a velocidades ligeramente más altas que las que están un poco más alejadas, provocando colisiones entre las partículas a medida que pasan. otro en esta danza orbital.
Donde ya se han formado partículas un poco más grandes, o donde las partículas más pequeñas se unen para formar otras más grandes, la fuerza gravitacional se vuelve un poco más grande, ya que tener una región sobredensa preferentemente atrae a más y más La masa circundante. Durante miles a millones a decenas de millones de años, esto conducirá a la formación descontrolada de planetas en cualquier lugar que haya acumulado la mayor cantidad de masa en un lugar más rápido.
Un esquema de un disco protoplanetario, que muestra las líneas de hollín y escarcha.Para una estrella como el Sol, … las estimaciones sitúan la Línea de escarcha en algún lugar alrededor de tres veces la distancia inicial Tierra-Sol, mientras que la Línea de hollín está significativamente más adentro. La ubicación exacta de estas líneas en el pasado de nuestro Sistema Solar es difícil de precisar.
NASA / JPL-Caltech, anotaciones de Invader Xan
El segundo factor es la temperatura de la estrella central a medida que evoluciona desde su pre -nacimiento como nubes moleculares a través de su fase como proto-estrella hasta su larga vida como estrella en toda regla. En la región interior más cercana a la estrella, solo los elementos más pesados de todos pueden sobrevivir, ya que todo lo demás es demasiado ligero para está destrozado por el intenso calor y la radiación. Los planetas más interiores estarán hechos solo de metales.
Fuera de eso, hay una línea de escarcha (sin hielos volátiles en el interior, pero con hielos volátiles más allá), donde se formaron todos nuestros planetas terrestres. dentro de la línea de escarcha. Si bien estas líneas son interesantes, también nos enseña que hay un gradiente de material que se forma en el sistema solar: los elementos más pesados se encuentran en la proporción más alta más cercana a la estrella central, mientras que los elementos más pesados son menos abundantes más lejos.
A medida que los sistemas solares evolucionan en general, los materiales volátiles se evaporan, los planetas acumulan materia, … los planetesimales se fusionan o interactúan gravitacionalmente y expulsan cuerpos, y las órbitas migran a configuraciones estables. Los planetas gigantes gaseosos pueden dominar gravitacionalmente la dinámica de nuestro Sistema Solar, pero los planetas rocosos internos son donde está sucediendo toda la bioquímica interesante, hasta donde sabemos. En otros sistemas solares, la historia puede ser muy diferente, dependiendo de dónde los diversos planetas y lunas terminan migrando a.
El usuario de Wikimedia Commons AstroMark
Y el tercer y último elemento es que hay una intrincada danza gravitacional que tiene lugar con el tiempo. Los planetas migran. Las estrellas se calientan y los hielos se eliminan donde se les permitió una vez antes. Los planetas que pueden haber orbitado nuestra estrella en etapas anteriores pueden ser expulsados, disparados hacia el Sol o desencadenados para colisionar con otros mundos.
Y si te acercas demasiado a la estrella que ancla tu sistema solar, las capas externas de la atmósfera de la estrella pueden proporcionar suficiente fricción para hacer que tu órbita se desestabilice, girando en espiral hacia la estrella central sí mismo. Al observar nuestro Sistema Solar hoy, 4.500 millones de años después de que se formó todo, podemos concluir muchas cosas sobre cómo debieron haber sido las cosas en las primeras etapas. Podemos armar una imagen general de lo que ocurrió para crear las cosas como son hoy.
Una ilustración de cómo podría verse una sinestia : un anillo inflado que rodea un planeta … después de un gran impacto de momento angular de alta energía. Ahora se cree que nuestra Luna se formó por una colisión temprana con la Tierra que creó tal fenómeno.
Sarah Stewart / UC Davis / NASA
Pero todos Quedan los supervivientes. Lo que vemos sigue un patrón general que es muy consistente con la idea de que nuestros ocho planetas se formaron aproximadamente en el orden en el que se encuentran hoy: Mercurio como el mundo más interno, seguido de Venus, la Tierra, Marte, el cinturón de asteroides, luego el cuatro gigantes gaseosos, cada uno con su propio sistema lunar, el cinturón de Kuiper y, por fin, la nube de Oort.
Si todo se basara puramente en los elementos que los componen, Mercurio sería el planeta más denso. Mercurio tiene una mayor proporción de elementos que están más arriba en la tabla periódica en comparación con cualquier otro mundo conocido del Sistema Solar. Incluso los asteroides a los que se les han evaporado los hielos volátiles no son tan densos como Mercurio se basa solo en elementos. Venus es el número 2, la Tierra es el número 3, seguido de Marte, algunos asteroides y luego la luna más interna de Júpiter: Io .
Densidades de varios cuerpos en el Sistema Solar. Tenga en cuenta la relación entre la densidad y la distancia … desde el Sol, la similitud de Tritón con Plutón, y cómo incluso los satélites de Júpiter, desde Io hasta Calisto, varían enormemente en densidad.
Karim Khaidarov
Pero no es solo la composición de la materia prima de un mundo lo que determina su densidad. También está el problema de la compresión gravitacional, que tiene un efecto mayor en los mundos cuanto mayores son sus masas son. Esto es algo de lo que hemos aprendido mucho al estudiar los planetas más allá de nuestro propio Sistema Solar, ya que nos han enseñado cuáles son las diferentes categorías de exoplanetas. Eso nos ha permitido inferir qué procesos físicos están en juego que conducen a los mundos que observamos.
Si estás por debajo de aproximadamente dos masas terrestres, serás un rocoso, parecido a un terrestre planeta, con planetas de mayor masa experimentando más compresión gravitacional.Por encima de eso, comienzas a colgarte de una envoltura gaseosa de materia, que «hincha» tu mundo y disminuye su densidad enormemente a medida que asciendes en masa, lo que explica por qué Saturno es el planeta menos denso. Por encima de otro umbral, la compresión gravitacional vuelve a tomar la delantera; Saturno tiene un 85% del tamaño físico de Júpiter, pero solo un tercio de la masa. Y más allá de otro umbral, la fusión nuclear se enciende, transformando un planeta potencial en una estrella.
El mejor esquema de clasificación basado en evidencia de planetas es categorizarlos como rocosos, … como Neptuno, como Júpiter o como estelar. Tenga en cuenta que la «línea» que siguen los planetas hasta que alcanzan ~ 2 masas terrestres siempre permanece por debajo de todos los demás mundos en la carta cuando continúa la extrapolación.
Chen y Kipping, 2016, vía https://arxiv.org/pdf/1603.08614v2.pdf
Si tuviéramos un mundo como Júpiter que estuviera lo suficientemente cerca del Sol, su atmósfera se despojaría, revelando un núcleo que ciertamente ser más denso que cualquiera de los planetas de nuestro Sistema Solar en la actualidad. Los elementos más densos y pesados siempre se hunden hasta el núcleo durante la formación del planeta, y la gravitación comprime ese núcleo para que sea aún más denso de lo que hubiera sido de otra manera. Pero no tenemos ese mundo en nuestro patio trasero.
En cambio, solo tenemos un planeta terrestre rocoso relativamente pesado: la Tierra, el mundo más pesado de nuestro Sistema Solar sin una gran envoltura gaseosa. Debido a Con el poder de su propia gravitación, la Tierra está comprimida en un pequeño porcentaje sobre lo que habría sido su densidad sin tanta masa. La diferencia es suficiente para superar el hecho de que está hecha de elementos más ligeros en general que Mercurio (en algún lugar entre 2-5%) para hacerlo aproximadamente un 2% más denso que el mercurio en general.
Según nuestro conocimiento y con las mejores mediciones a nuestra disposición, hemos determinado que … La Tierra es el planeta más denso de todos en el Sistema Solar: aproximadamente un 2% más denso que Mercurio y aproximadamente un 5% más denso que Venus. Ningún otro planeta, luna o incluso asteroide se le acerca.
NASA
Si los elementos con los que estás hecho fueran la única métrica que importara para la densidad, entonces Mercurio sería sin duda el planeta más denso del Sistema Solar. Sin un océano o una atmósfera de baja densidad, y hecho de elementos más pesados en la tabla periódica (en promedio) que cualquier otro objeto en nuestro vecindario, se llevaría la palma. Y, sin embargo, la Tierra, casi tres veces más distante del Sol, hecha de materiales más ligeros y con una atmósfera sustancial, avanza con un 2% más de densidad.
¿La explicación? La Tierra tiene suficiente masa para que su autocompresión debida a la gravitación sea significativa: casi tan significativa como puede ser antes de empezar a aferrarse a una gran envoltura volátil de gases. La Tierra está más cerca de ese límite que cualquier otra cosa en nuestro Sistema Solar, y la combinación de su composición relativamente densa y su enorme autogravedad, ya que somos 18 veces más masivos que Mercurio, nos coloca solos como el objeto más denso de nuestro Sistema Solar. Sistema.