De åtte planetene i vårt solsystem og vårt Sol, for å skalere i størrelse, men ikke når det gjelder bane … avstander. Merk at dette er de eneste åtte objektene som oppfyller alle de tre planetkriteriene som er angitt av IAU, og at de kretser rundt solen innen bare noen få grader av samme plan som hverandre.
Wikimedia Commons-bruker WP
Av alle planetene, dvergplaneter, måner, asteroider og mer i solsystemet, kan bare ett objekt være det tetteste. Du kan tro, basert på det faktum at gravitasjon er en rømningsprosess som bare bygger på seg i større og større grad, at de mest massive objektene av alle ting som Jupiter eller til og med solen ville være tettest, men de er mindre enn en fjerdedel av jordens tetthet.
Du kan gå en annen rute, og tro at verdenene som er laget av den største andelen av de tyngste elementene, også ville være de tetteste. Hvis det var tilfelle Imidlertid ville kvikksølv være den tetteste verden, og det er ikke det. I stedet for alle de store gjenstandene som er kjent i solsystemet, er jorden den tetteste av alle. Her er den overraskende vitenskapen om hvorfor.
En sammenligning av planetene i solsystemet etter størrelse. Jordens radius er bare 5% større enn … Venus, men Uranus og Neptun har fire ganger radiusen av vår verden.
Lsmpascal fra Wikimedia Commons
Tetthet er en av enkleste ikke-grunnleggende egenskapene til materie du kan forestille deg. Hvert objekt som eksisterer, fra det mikroskopiske til det astronomiske, har en viss mengde energi i hvile som er iboende for det: det vi ofte kaller masse. Disse objektene tar også en gitt plass i tre dimensjoner: det vi kjenner som volum. Tetthet er bare forholdet mellom disse to egenskapene: massen til et objekt delt på volumet.
Selve vårt solsystem ble dannet for 4,5 milliarder år siden slik alle solsystemer er dannet: fra en sky av gass i en stjernedannende region som krammet og kollapset under sin egen tyngdekraft. Nylig, takket være observatorier som ALMA (Atacama Large Millimeter / submillimetre Array), har vi klart å avbilde og analysere protoplanetære skiver som dannes rundt disse nyfødte stjernene for første gang. / div>
Den protoplanetære disken rundt den unge stjernen, HL Tauri, som fotografert av ALMA. hullene i … disken indikerer tilstedeværelsen av nye planeter, mens spektroskopiske målinger avslører et stort antall og mangfold av organiske, karbonholdige forbindelser.
ALMA (ESO / NAOJ / NRAO)
Noen av trekk ved et bilde som dette er slående. Du kan se en stor, utvidet plate rundt en nylig dannende stjerne: materialet som vil gi opphav til planeter, måner, asteroider, et ytre (Kuiper-lignende) belte, etc. Du kan se hull på disken: steder hvor massive objekter som planeter allerede dannes. Du kan se en fargekodet temperaturgradient, der de indre områdene er varmere og de ytre områdene en re kaldere.
Men det du ikke kan se visuelt fra et bilde som dette, er tilstedeværelsen og overflod av de forskjellige materialtypene. Mens komplekse molekyler og til og med organiske forbindelser finnes i systemer som dette, er det tre viktige effekter som alle jobber sammen for å bestemme hvilke elementer som avvikler på hvilke steder i solsystemet som resulterer.
En illustrasjon av en protoplanetær disk, der planeter og planetesimaler dannes først, og skaper … «hull» i disken når de gjør det. Så snart den sentrale proto-stjernen blir varm nok, begynner den å blåse av de letteste elementene fra de omkringliggende protoplantære systemene. En planet som Jupiter eller Saturn har tyngdekraften til å holde på de letteste elementene som hydrogen og helium, men en verden med lavere masse som Jorden har ikke.
NAOJ
Den første faktoren er gravitasjon, som alltid er en attraktiv kraft. I en materieplate som består av små partikler, vil de som er nærmere innsiden av platen dreie seg rundt solsystemets senter med litt høyere hastigheter enn de som er litt lenger ut, og forårsake kollisjon mellom partikler når de passerer en. en annen i denne orbitaldansen.
Der hvor det har dannet seg litt større partikler, eller hvor mindre partikler henger sammen for å danne større, blir tyngdekraften litt større, ettersom det å ha en overdensert region fortrinnsvis tiltrekker seg mer og mer av den omkringliggende massen. Over tusenvis til millioner til titalls millioner år vil dette føre til en rømningsdannelse av planeter på hvilke steder som tilfeldigvis oppnådde mest masse på ett sted raskest.
En skjematisk oversikt over en protoplanetar disk, som viser sot- og frostlinjene.For en stjerne som solen, … estimater setter Frostlinjen et sted rundt tre ganger den opprinnelige avstanden mellom jord og sol, mens sotlinjen er betydelig lenger inn. Den nøyaktige plasseringen av disse linjene i vårt solsystems fortid er vanskelig å slå fast.
NASA / JPL-Caltech, annonasjoner av Invader Xan
Den andre faktoren er temperaturen til den sentrale stjernen når den utvikler seg fra -fødsel som en molekylær sky gjennom sin fase som en proto-stjerne til sin lange levetid som en fullverdig stjerne. I det indre området nærmest stjernen er det bare de tyngste elementene av alle som kan overleve, da alt annet er for lett til den sprenges fra hverandre av den intense varmen og strålingen. De mest indre planetene vil være laget av metaller alene.
Utenfor det er det en frostlinje (uten noe flyktig is, men med flyktige is utover det), hvor våre jordiske planeter dannet Mens disse linjene er interessante, lærer det oss også at det er en gradient av materiale som dannes i solsystemet: De tyngste elementene finnes i den høyeste andelen nærmest sentralstjernen, mens de tyngre elementene er mindre rikelig lenger unna.
Når solsystemer utvikler seg generelt, fordampes flyktige materialer, planeter betong materie, … planetesimals smelter sammen eller gravitasjonelt samhandler og skubber ut kropper, og baner migrerer til stabile konfigurasjoner. Gassgigantplanetene kan dominere vårt solsystems dynamikk gravitasjonelt, men de indre, steinete planetene er der all den interessante biokjemien skjer, så vidt vi vet. I andre solsystemer kan historien være vidt forskjellig, avhengig av hvor de forskjellige planetene og månene ender med å migrere til.
Wikimedia Commons-bruker AstroMark
Og det tredje og siste elementet er at det er en intrikat gravitasjonsdans som finner sted over tid. Planeter migrerer. Stjerner varmes opp, og is blir fjernet der de var tillatt en gang før. Planeter som kan ha kretset om stjernen vår i tidligere stadier, kan bli kastet ut, skutt i solen eller utløst til å kollidere med og / eller smelte sammen med andre verdener.
Og hvis du kommer for nær stjernen som forankrer solsystemet ditt, kan de ytre lagene i stjernens atmosfære gi nok friksjon til å føre til at bane din destabiliseres, og spiral inn i den sentrale stjernen seg selv. Ser vi på vårt solsystem i dag, 4,5 milliarder år etter at det hele ble dannet, kan vi konkludere veldig mange ting om hvordan ting må ha vært i de tidlige stadiene. Vi kan sette sammen et generelt bilde av hva som skjedde for å skape ting slik de er i dag.
En illustrasjon av hvordan en synestia kan se ut : en oppblåst ring som omgir en planet … etter en høyenergi, stor vinkelmomentpåvirkning. Det antas nå at månen vår ble dannet av en tidlig kollisjon med jorden som skapte et slikt fenomen.
Sarah Stewart / UC Davis / NASA
Men alt vi har igjen er de overlevende. Det vi ser følger et generelt mønster som er veldig konsistent med ideen om at våre åtte planeter dannet omtrent den rekkefølgen de er i dag: Kvikksølv som den innerste verden, etterfulgt av Venus, Jorden, Mars, asteroidebåndet, deretter fire gassgiganter hver med sitt eget månesystem, Kuiper-beltet, og til slutt Oort-skyen.
Hvis alt var basert utelukkende på elementene som utgjorde dem, ville kvikksølv være den tetteste planeten. Kvikksølv har en høyere andel av elementene som er høyere på det periodiske systemet sammenlignet med noen annen kjent verden i solsystemet. Selv asteroider som har fått sin flyktige is avkokt, er ikke så tette som kvikksølv er basert på elementer alene. Venus er nr. 2, jorden er nr. 3, etterfulgt av Mars, noen asteroider, og deretter Jupiters innerste måne: Io .
Tettheter av forskjellige legemer i solsystemet. Legg merke til forholdet mellom tetthet og avstand … fra solen, likheten mellom Triton og Pluto, og hvordan til og med satellittene til Jupiter, fra Io til Callisto, varierer i tetthet så enormt.
Karim Khaidarov
Men det er ikke bare råmaterialesammensetningen i en verden som bestemmer dens tetthet. Det er også spørsmålet om gravitasjonskompresjon, som har større effekt for verdener jo større massene deres er. Dette har vi lært mye om ved å studere planeter utenfor vårt eget solsystem, ettersom de har lært oss hva de forskjellige kategoriene av exoplanet er. Dette tillot oss å utlede hvilke fysiske prosesser som er i spill som fører til de verdenene vi observerer.
Hvis du er under omtrent to jordmasser, kommer du til å være en steinete, jordlignende planeten, med større masseplaneter som opplever mer gravitasjonskompresjon.Over dette begynner du å henge på en gassformet konvolutt av materie, som «puffer ut» verdenen din og slipper dens tetthet enormt når du går opp i masse, og forklarer hvorfor Saturn er den minst tette planeten. Over en annen terskel tar gravitasjonskompresjon ledelsen igjen; Saturn er 85% av den fysiske størrelsen på Jupiter, men bare en tredjedel av massen. Og utover en annen terskel tennes kjernefusjon, og forvandler en fremtidig planet til en stjerne.
Det beste evidensbaserte klassifiseringsskjemaet for planeter er å kategorisere dem som enten steinete, … Neptunlignende, Jupiter-lignende eller stjernelignende. Merk at «linjen» som planetene følger til de når ~ 2 jordmasser alltid forblir under alle de andre verdenene på diagrammet når du fortsetter ekstrapolasjonen.
Chen and Kipping, 2016, via https://arxiv.org/pdf/1603.08614v2.pdf
Hvis vi hadde en verden som Jupiter som var nær nok til solen, ville atmosfæren bli fjernet og avsløre en kjerne som absolutt ville være tettere enn noen av planetene i vårt solsystem i dag. De tetteste, tyngste elementene synker alltid ned til kjernen under planetdannelsen, og tyngdekraften komprimerer den kjernen til å være enda tettere enn den ellers ville vært. Men vi har ikke en slik verden i hagen vår.
I stedet har vi bare en relativt tung steinete, jordbasert planet: Jorden, den tyngste verden i vårt solsystem uten en stor gassformet konvolutt. Pga. kraften av sin egen tyngdekraft, er Jorden komprimert med noen få prosent over hva dens tetthet ville vært uten så mye masse. Forskjellen er nok til å overvinne det faktum at den er laget av lettere elementer generelt enn Merkur er (et sted mellom 2-5%) for å gjøre det omtrent 2% tettere enn kvikksølv totalt.
Så langt vi vet og med de beste målingene vi har bestemt oss for at … Jorden er den tetteste planeten av alle i solsystemet: omtrent 2% tettere enn kvikksølv og omtrent 5% tettere enn Venus. Ingen andre planeter, måne eller til og med asteroider kommer i nærheten.
NASA
Hvis elementene du var laget av, var den eneste beregningen som gjaldt for tetthet, så Kvikksølv ville uten tvil være den tetteste planeten i solsystemet. Uten et hav med lav tetthet eller atmosfære, og laget av tyngre elementer på det periodiske systemet (i gjennomsnitt) enn noe annet objekt i nabolaget vårt, ville det ta kaken. Og likevel klir jorden nesten tre ganger så langt fra solen, laget av lettere materialer og med en betydelig atmosfære, og knirker fremover med en 2% større tetthet.
Forklaringen? Jorden har nok masse til at dens selvkomprimering på grunn av tyngdekraften er betydelig: nesten så betydelig som du kan få før du begynner å henge på en stor, flyktig gasshylle. Jorden er nærmere den grensen enn noe annet i vårt solsystem, og kombinasjonen av dens relativt tette sammensetning og dens enorme egenvekt, da vi er 18 ganger så massive som kvikksølv, plasserer oss alene som det tetteste objektet i vårt sol. System.