Dit is waarom de aarde, verrassend genoeg, het dichtste object in ons zonnestelsel is

Van alle planeten, dwergplaneten, manen, asteroïden en meer in het zonnestelsel, kan slechts één object het dichtst zijn. Je zou kunnen denken, gebaseerd op het feit dat gravitatie een op hol geslagen proces is dat zich steeds meer op zichzelf bouwt, dat de meest massieve objecten van alle dingen, zoals Jupiter of zelfs de zon, het dichtst zouden zijn, maar ze zijn minder dan een kwart van de dichtheid van de aarde.

Je zou een andere route kunnen gaan en denken dat de werelden die zijn gemaakt van het grootste deel van de zwaarste elementen ook de dichtste zouden zijn. Als dat het geval was Mercurius zou echter de dichtste wereld zijn, en dat is het niet. In plaats daarvan is de aarde van alle grote objecten die bekend zijn in het zonnestelsel de dichtste van allemaal. Hier is de verrassende wetenschap waarom.

Dichtheid is een van de eenvoudigste niet-fundamentele eigenschappen van materie die u zich kunt voorstellen. Elk object dat bestaat, van microscopisch tot astronomisch, heeft een bepaalde hoeveelheid energie-in-rust intrinsiek: wat we gewoonlijk massa noemen. Deze objecten nemen ook een bepaalde hoeveelheid ruimte in drie dimensies in beslag: wat we kennen als volume. Dichtheid is slechts de verhouding van deze twee eigenschappen: de massa van een object gedeeld door zijn volume.

Ons zonnestelsel zelf werd zon 4,5 miljard jaar geleden gevormd zoals alle zonnestelsels worden gevormd: uit een wolk van gas in een stervormingsgebied dat onder zijn eigen zwaartekracht samentrok en instortte. Dankzij observatoria zoals ALMA (de Atacama Large Millimeter / submillimetre Array) zijn we onlangs in staat geweest om de protoplanetaire schijven die zich rond deze pasgeboren sterren vormen, voor het eerst rechtstreeks in beeld te brengen en te analyseren.

Enkele van de kenmerken van een afbeelding als deze zijn opvallend. Je kunt een grote, uitgestrekte schijf rond een nieuw vormende ster zien: het materiaal waaruit planeten, manen, asteroïden, een buitenste (Kuiper-achtige) gordel, enz. openingen in de schijf zien: locaties waar zich al enorme objecten zoals planeten vormen. Je kunt een kleurgecodeerde temperatuurgradiënt zien, waar de binnenste gebieden heter zijn en de buitenste gebieden een kouder.

Maar wat je niet visueel kunt zien aan een afbeelding als deze, is de aanwezigheid en overvloed van de verschillende soorten materialen. Hoewel complexe moleculen en zelfs organische verbindingen in systemen als deze worden aangetroffen, zijn er drie belangrijke effecten die allemaal samenwerken om te bepalen welke elementen op welke locaties in het zonnestelsel terechtkomen.

De eerste factor is de zwaartekracht, die altijd een aantrekkingskracht is. In een schijf van materie die uit kleine deeltjes bestaat, zullen de deeltjes die zich dichter bij de binnenkant van de schijf bevinden met iets hogere snelheden rond het centrum van het zonnestelsel draaien dan die iets verder weg, waardoor botsingen tussen deeltjes ontstaan als ze er een passeren een andere in deze orbitale dans.

Waar zich al iets grotere deeltjes hebben gevormd, of waar kleinere deeltjes aan elkaar kleven om grotere te vormen, wordt de zwaartekracht iets groter, omdat het hebben van een overdicht gebied bij voorkeur steeds meer van de omringende massa. Over duizenden tot miljoenen tot tientallen miljoenen jaren zal dit leiden tot de op hol geslagen formatie van planeten op welke locaties dan ook die de meeste massa op één locatie het snelst opbouwden.

De tweede factor is de temperatuur van de centrale ster terwijl deze evolueert van zijn pre -geboorte als een moleculaire wolken door zijn fase als een proto-ster naar zijn lange levensduur als een volwaardige ster. In het binnenste gebied dat het dichtst bij de ster ligt, kunnen alleen de zwaarste elementen van allemaal overleven, omdat al het andere te licht is dat het wordt uit elkaar geschoten door de intense hitte en straling. De meest binnenste planeten zullen alleen van metalen zijn gemaakt.

Daarbuiten is er “een vrieslijn (zonder vluchtig ijs daarbuiten maar met vluchtig ijs daarbuiten), waar onze aardse planeten allemaal gevormd zijn. binnen de vrieslijn. Hoewel deze lijnen interessant zijn, leert het ons ook dat er “een materiaalgradiënt is dat zich vormt in het zonnestelsel: de zwaarste elementen bevinden zich in de hoogste verhouding het dichtst bij de centrale ster, terwijl de zwaardere elementen minder zijn. overvloedig verder weg.

En het derde en laatste element is dat er een ingewikkelde zwaartekrachtdans plaatsvindt in de loop van de tijd. Planeten migreren. Sterren worden heet en ijs wordt gestript waar ze ooit eerder waren toegestaan. Planeten die in eerdere stadia om onze ster hebben gedraaid, kunnen worden uitgeworpen, in de zon worden geschoten of ertoe worden aangezet om te botsen met en / of met andere werelden.

En als je te dicht bij de ster komt die je zonnestelsel verankert, kunnen de buitenste lagen van de atmosfeer van de ster voor voldoende wrijving zorgen om je baan te destabiliseren en spiraalsgewijs naar de centrale ster te draaien zelf. Als we vandaag naar ons zonnestelsel kijken, 4,5 miljard jaar nadat het hele ding gevormd is, kunnen we ontzettend veel dingen concluderen over hoe de dingen eruit moeten hebben gezien in de vroege stadia. We kunnen een algemeen beeld schetsen van wat er gebeurde om dingen te maken zoals ze nu zijn.

Maar we allemaal zijn overgebleven zijn de overlevenden. Wat we zien volgt een algemeen patroon dat zeer consistent is met het idee dat onze acht planeten zich ongeveer vormden in de volgorde waarin ze zich nu bevinden: Mercurius als de binnenste wereld, gevolgd door Venus, de aarde, Mars, de asteroïdengordel, en dan de vier gasreuzen met elk hun eigen maansysteem, de Kuipergordel en eindelijk de Oortwolk.

Als alles puur gebaseerd was op de elementen waaruit ze bestaan, zou Mercurius de dichtste planeet zijn. Kwik heeft een groter aandeel elementen die hoger in het periodiek systeem staan in vergelijking met elke andere bekende wereld in het zonnestelsel. Zelfs de asteroïden waarvan het vluchtige ijs is afgekookt, zijn niet zo dicht als Mercurius alleen op elementen is gebaseerd. Venus is # 2, de aarde is # 3, gevolgd door Mars, enkele asteroïden en dan de binnenste maan van Jupiter: Io .

Maar het is niet alleen de ruwe materiaalsamenstelling van een wereld die de dichtheid bepaalt. Er is ook de kwestie van de zwaartekrachtscompressie, die een groter effect heeft voor werelden naarmate hun massa groter is. zijn. Dit is iets waar we veel over hebben geleerd door planeten buiten ons eigen zonnestelsel te bestuderen, aangezien ze ons hebben geleerd wat de verschillende categorieën exoplaneeten zijn. Dat heeft ons in staat gesteld af te leiden welke fysieke processen er spelen die leiden naar de werelden die we waarnemen.

Als je minder dan ongeveer twee aardmassas bent, zul je een rotsachtige, aardse planeet, met planeten met een grotere massa die meer zwaartekrachtcompressie ervaren.Daarboven begin je te hangen aan een gasvormig omhulsel van materie, dat je wereld eruit “blaast” en de dichtheid enorm laat dalen als je in massa omhoog gaat, wat verklaart waarom Saturnus de minst dichte planeet is. Boven een andere drempel neemt de zwaartekrachtscompressie weer de leiding; Saturnus is 85% van de fysieke grootte van Jupiter, maar slechts een derde van de massa. En voorbij een andere drempel ontsteekt kernfusie, waardoor een potentiële planeet in een ster verandert.

Als we een wereld als Jupiter hadden die dicht genoeg bij de zon was, zou de atmosfeer worden verwijderd en een kern onthullen die zeker zijn tegenwoordig dichter dan alle planeten in ons zonnestelsel. De dichtste, zwaarste elementen zinken altijd naar de kern tijdens de vorming van een planeet, en de zwaartekracht drukt die kern samen om nog dichter te zijn dan anders het geval zou zijn geweest. Maar we hebben zon wereld niet in onze achtertuin.

In plaats daarvan hebben we alleen een relatief zware rotsachtige, aardse planeet: de aarde, de zwaarste wereld in ons zonnestelsel zonder een grote gasomhulling. de kracht van zijn eigen gravitatie, wordt de aarde met een paar procent gecomprimeerd ten opzichte van wat zijn dichtheid zou zijn geweest zonder zoveel massa. Het verschil is genoeg om het feit te overwinnen dat het in het algemeen uit lichtere elementen is gemaakt dan Mercurius (ergens tussen 2-5%) om het ongeveer 2% dichter te maken dan Mercurius in het algemeen.

Als de elementen waaruit je was gemaakt de enige metriek waren die van belang was voor dichtheid, dan Mercurius zou zonder twijfel de dichtste planeet in het zonnestelsel zijn. Zonder een oceaan of atmosfeer met een lage dichtheid, en gemaakt van (gemiddeld) zwaardere elementen op het periodiek systeem dan enig ander object in onze buurt, zou het de kroon hebben. En toch piept de aarde, bijna drie keer zo ver van de zon, gemaakt van lichtere materialen en met een substantiële atmosfeer, naar voren met een 2% grotere dichtheid.

De verklaring? De aarde heeft genoeg massa dat haar zelfcompressie als gevolg van de zwaartekracht significant is: bijna net zo belangrijk als je kunt krijgen voordat je aan een groot, vluchtig omhulsel van gassen gaat hangen. De aarde is dichter bij die grens dan al het andere in ons zonnestelsel, en de combinatie van zijn relatief dichte samenstelling en zijn enorme zelfzwaartekracht, aangezien we 18 keer zo massief zijn als Mercurius, plaatst ons alleen als het dichtste object in onze zonnestelsel. Systeem.