Osiem planet naszego Układu Słonecznego i nasz Słońce, aby wyskalować rozmiar, ale nie pod względem odległości orbitalnych … Zauważ, że jest to jedynych osiem obiektów, które spełniają wszystkie trzy kryteria planetarne określone przez IAU i że krążą one wokół Słońca w odległości zaledwie kilku stopni od tej samej płaszczyzny co drugi.
Użytkownik Wikimedia Commons WP
Ze wszystkich planet, planet karłowatych, księżyców, asteroid i nie tylko w Układzie Słonecznym, tylko jeden obiekt może być najgęstszy. Można by pomyśleć, opierając się na fakcie, że grawitacja jest niekontrolowanym procesem, który po prostu buduje się na sobie w coraz większym stopniu, że najbardziej masywne obiekty ze wszystkich rzeczy, takie jak Jowisz czy nawet Słońce, byłyby najgęstsze, ale „są one mniejsze niż ćwierć gęstości Ziemi.
Możesz pójść inną drogą i pomyśleć, że światy zbudowane z największej proporcji najcięższych pierwiastków byłyby również najgęstsze. Gdyby tak było Jednak Merkury byłby najgęstszym światem i tak nie jest. Zamiast tego ze wszystkich dużych obiektów znanych w Układzie Słonecznym Ziemia jest najgęstsza ze wszystkich. Oto zaskakująca nauka dlaczego.
Porównanie planet w Układzie Słonecznym według rozmiaru. Promień Ziemi wynosi tylko 5% większa niż … Wenus, ale promień Urana i Neptuna jest czterokrotnie większy niż promień naszego świata.
Lsmpascal w Wikimedia Commons
Gęstość jest jedną z najprostsze nie-fundamentalne właściwości materii, jakie możesz sobie wyobrazić. Każdy istniejący obiekt, od mikroskopijnego po astronomiczny, ma pewną nieodłączną ilość energii spoczynkowej: to, co powszechnie nazywamy masą. Obiekty te zajmują również określoną przestrzeń w trzech wymiarach: to, co nazywamy objętością. Gęstość to po prostu stosunek tych dwóch właściwości: masy obiektu podzielonej przez jego objętość.
Nasz Układ Słoneczny powstał około 4,5 miliarda lat temu tak, jak wszystkie układy słoneczne: z chmury gaz w regionie formowania się gwiazd, który kurczył się i zapadał pod wpływem własnej grawitacji. Ostatnio, dzięki obserwatoriom takim jak ALMA (Atacama Large Millimeter / submillimetre Array), po raz pierwszy mogliśmy bezpośrednio zobrazować i przeanalizować dyski protoplanetarne, które tworzą się wokół tych nowonarodzonych gwiazd.
Dysk protoplanetarny wokół młodej gwiazdy, HL Tauri, sfotografowany przez ALMA. Przerwy w dysku … wskazują na obecność nowe planety, podczas gdy pomiary spektroskopowe ujawniają dużą liczbę i różnorodność związków organicznych zawierających węgiel.
ALMA (ESO / NAOJ / NRAO)
Niektóre z cechy takiego obrazu są uderzające. Możesz zobaczyć duży, wydłużony dysk wokół nowo powstającej gwiazdy: materiał, z którego powstają planety, księżyce, asteroidy, zewnętrzny pas (podobny do Kuipera) itp. Możesz zobacz przerwy w dysku: lokalizacje, w których już formują się masywne obiekty, takie jak planety. Możesz zobaczyć zakodowany kolorami gradient temperatury, gdzie wewnętrzne obszary są cieplejsze, a obszary zewnętrzne jeszcze chłodniej.
Ale to, czego nie widać wizualnie na takim obrazie, to obecność i obfitość różnych rodzajów materiałów. Chociaż złożone cząsteczki, a nawet związki organiczne znajdują się w takich układach, jak ten, istnieją trzy ważne efekty, które działają razem, aby określić, które pierwiastki znajdą się w określonych miejscach w Układzie Słonecznym.
Ilustracja dysku protoplanetarnego, na którym planety i planetozymale tworzą się jako pierwsze, tworząc … „luki” w dysku, gdy się pojawią. Gdy tylko centralna protogwiazda wystarczająco się nagrzeje, zaczyna zdmuchiwać najlżejsze elementy z otaczających ją układów protoplantarnych. Planeta taka jak Jowisz czy Saturn ma wystarczającą grawitację, aby utrzymać najlżejsze pierwiastki, takie jak wodór i hel, ale świat o niższej masie, taki jak Ziemia, nie.
NAOJ
Pierwszym czynnikiem jest grawitacja, która zawsze jest siłą przyciągającą. W dysku materii złożonym z drobnych cząstek te, które są bliżej wnętrza dysku, będą się obracać wokół centrum Układu Słonecznego z nieco większą prędkością niż te nieco dalej, powodując zderzenia między cząstkami, gdy przechodzą przez jedną inny w tym tańcu orbitalnym.
Tam, gdzie nieco większe cząstki już się utworzyły lub gdy mniejsze cząstki sklejają się ze sobą, tworząc większe, siła grawitacji staje się nieco większa, ponieważ posiadanie nadmiernie gęstego obszaru preferencyjnie przyciąga coraz więcej otaczającą masę. W ciągu tysięcy, milionów do dziesiątek milionów lat doprowadzi to do niekontrolowanego tworzenia się planet w dowolnych miejscach, w których zdarzyło się najszybciej uzyskać największą masę w jednym miejscu.
Schemat dysku protoplanetarnego, pokazujący linie sadzy i mrozu.W przypadku gwiazdy takiej jak Słońce … szacunki wskazują, że Linia Mrozu jest około trzykrotnie większa niż początkowa odległość Ziemia-Słońce, podczas gdy linia sadzy znajduje się znacznie dalej. Dokładne lokalizacje tych linii w przeszłości naszego Układu Słonecznego to trudne do ustalenia.
NASA / JPL-Caltech, zapowiedzi Invader Xan
Drugim czynnikiem jest temperatura gwiazdy centralnej, która ewoluuje od swojego – narodziny jako obłoki molekularne przez fazę protogwiazdki do długiego życia jako pełnoprawnej gwiazdy. W wewnętrznym regionie najbliższym gwiazdy przetrwać mogą tylko najcięższe pierwiastki ze wszystkich, ponieważ wszystko inne jest zbyt lekkie, został rozerwany przez intensywne ciepło i promieniowanie. Planety znajdujące się najbardziej w środku będą wykonane wyłącznie z metali.
Poza tym jest linia szronu (bez wewnątrz niej lotnych lodów, ale poza nią), gdzie wszystkie nasze planety ziemskie uformowały się wewnątrz linii mrozu. Chociaż te linie są interesujące, to również uczy nas, że w układzie słonecznym tworzy się gradient materiału: najcięższe pierwiastki znajdują się w największej proporcji najbliżej gwiazdy centralnej, podczas gdy cięższe pierwiastki są mniej obficie dalej.
W miarę ewolucji układów słonecznych materiały lotne są odparowywane, planety gromadzą materię, … planetozymale łączą się ze sobą lub grawitacyjnie oddziałują i wyrzucają ciała, a orbity migrują do stabilnych konfiguracji. Gazowe olbrzymy mogą zdominować dynamikę naszego Układu Słonecznego grawitacyjnie, ale wewnętrzne, skaliste planety są tam, gdzie zachodzi cała interesująca biochemia, o ile wiemy. W innych układach słonecznych historia może być bardzo różna, w zależności od tego, gdzie różne planety i księżyce zaczynają migrować do.
użytkownik Wikimedia Commons AstroMark
I trzeci i ostatni element to zawiły taniec grawitacyjny, który ma miejsce Planety migrują. Gwiazdy nagrzewają się, a lody są usuwane tam, gdzie wcześniej były dozwolone. Planety, które mogły okrążać naszą gwiazdę we wcześniejszych fazach, mogą zostać wyrzucone, wystrzelone w Słońce lub zderzone z i / lub scalone z innymi światami.
A jeśli zbliżysz się zbyt blisko gwiazdy zakotwiczającej Twój Układ Słoneczny, zewnętrzne warstwy atmosfery gwiazdy mogą zapewnić wystarczające tarcie, aby spowodować destabilizację orbity, spiralnie przechodząc w gwiazdę centralną samo. Patrząc na nasz dzisiejszy Układ Słoneczny, 4,5 miliarda lat po tym, jak wszystko się uformowało, możemy wywnioskować bardzo wiele rzeczy o tym, jak musiało wyglądać na wczesnych etapach. Możemy stworzyć ogólny obraz tego, co wydarzyło się, aby stworzyć rzeczy takie, jakie są dzisiaj.
Ilustracja tego, jak mogłaby wyglądać synestia : nadmuchany pierścień, który otacza planetę … po uderzeniu o dużej energii i dużym momencie obrotowym. Obecnie uważa się, że nasz Księżyc powstał w wyniku wczesnego zderzenia z Ziemią, które spowodowało takie zjawisko.
Sarah Stewart / UC Davis / NASA
Ale wszyscy pozostali ci, którzy przeżyli. To, co widzimy, jest zgodne z ogólnym schematem, który jest bardzo zgodny z ideą, że nasze osiem planet uformowało się mniej więcej w takiej kolejności, w jakiej są dzisiaj: Merkury jako najbardziej wewnętrzny świat, po nim Wenus, Ziemia, Mars, pas asteroid, a następnie cztery gazowe olbrzymy, każdy z własnym układem księżycowym, pasem Kuipera i wreszcie chmurą Oorta.
Gdyby wszystko opierało się wyłącznie na elementach, które je tworzą, Merkury byłby najgęstszą planetą. Merkury ma wyższy udział pierwiastków, które są wyższe w układzie okresowym w porównaniu z jakimkolwiek innym znanym światem w Układzie Słonecznym. Nawet asteroidy, na których wygotowano lotne lody, nie są tak gęste, jak Merkury składa się z samych pierwiastków. Wenus jest nr 2, Ziemia nr 3, a za nią Mars, niektóre asteroidy i najbardziej wewnętrzny księżyc Jowisza: Io .
Gęstości różnych ciał w Układzie Słonecznym. Zwróć uwagę na zależność między gęstością a odległością … od Słońca, podobieństwo Trytona do Plutona i jak nawet satelity Jowisza, od Io do Kallisto, różnią się tak ogromnie gęstością.
Karim Khaidarov
Ale to nie tylko skład surowcowy świata decyduje o jego gęstości. Jest też kwestia kompresji grawitacyjnej, która ma większy wpływ na światy, im większe są ich masy są. To jest coś, o czym „wiele się nauczyliśmy, badając planety poza naszym Układem Słonecznym, ponieważ” nauczyli nas, jakie są różne kategorie egzoplanet. To pozwoliło nam wywnioskować, jakie procesy fizyczne prowadzą do obserwowanych przez nas światów.
Jeśli „znajdujesz się poniżej około dwóch mas Ziemi,” będziesz skalistym, podobnym do ziemskiego planeta, przy czym planety o większej masie doświadczają większej kompresji grawitacyjnej.Ponad to, zaczynasz wisieć na gazowej powłoce materii, która „nadyma” twój świat i ogromnie spada jego gęstość w miarę wzrostu masy, wyjaśniając, dlaczego Saturn jest najmniej gęstą planetą. Powyżej innego progu kompresja grawitacyjna ponownie przejmuje inicjatywę; Saturn ma 85% fizycznych rozmiarów Jowisza, ale tylko jedną trzecią masy. Po przekroczeniu kolejnego progu fuzja jądrowa zapala się, przekształcając niedoszłą planetę w gwiazdę.
Najlepszy oparty na dowodach schemat klasyfikacji planety to sklasyfikować je jako skaliste,… podobne do Neptuna, podobne do Jowisza lub podobne do gwiazd. Zwróć uwagę, że „linia”, którą podążają planety, aż osiągną ~ 2 masy Ziemi, zawsze pozostaje poniżej wszystkich innych światów na mapie, gdy kontynuujesz ekstrapolację.
Chen i Kipping, 2016, przez https://arxiv.org/pdf/1603.08614v2.pdf
Gdybyśmy mieli świat podobny do Jowisza, który byłby wystarczająco blisko Słońca, jego atmosfera zostałaby usunięta, odsłaniając jądro, które z pewnością być gęstsze niż którakolwiek z planet w naszym Układzie Słonecznym obecnie. Najgęstsze i najcięższe pierwiastki zawsze opadają do jądra podczas formowania się planet, a grawitacja ściska to jądro, aby było jeszcze gęstsze, niż byłoby inaczej. Ale nie mamy takiego świata na naszym podwórku.
Zamiast tego mamy po prostu stosunkowo ciężką skalistą planetę ziemską: Ziemię, najcięższy świat w naszym Układzie Słonecznym bez dużej powłoki gazowej. siły własnej grawitacji, Ziemia jest skompresowana o kilka procent w stosunku do jej gęstości bez tak dużej masy. Różnica jest wystarczająca, aby przezwyciężyć fakt, że jest ona wykonana z lżejszych elementów niż Merkury (gdzieś pomiędzy 2-5%), aby była o około 2% gęstsza od rtęci ogółem.
Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą i najlepszymi pomiarami do naszej dyspozycji ustaliliśmy, że … Ziemia jest najgęstszą planetą ze wszystkich w Układzie Słonecznym: około 2% gęstszą niż Merkury i około 5% gęstszą niż Wenus. Żadna inna planeta, księżyc czy nawet asteroida nie zbliżają się do siebie.
NASA
Jeśli pierwiastki, z których zostałeś stworzony, były jedynymi miernikami, które miały znaczenie dla gęstości, to Merkury byłby bez wątpienia najgęstszą planetą w Układzie Słonecznym. Bez oceanu lub atmosfery o niskiej gęstości i wykonanych z cięższych pierwiastków w układzie okresowym (średnio) niż jakikolwiek inny obiekt w naszym sąsiedztwie, zjadłoby to ciasto. A jednak Ziemia, prawie trzy razy dalej od Słońca, wykonana z lżejszych materiałów i ze znaczną atmosferą, piszczy do przodu z gęstością większą o 2%.
Wyjaśnienie? Ziemia ma wystarczającą masę, aby jej samokompresja spowodowana grawitacją była znacząca: prawie tak znacząca, jak można uzyskać, zanim zaczniesz wisieć na dużej, lotnej otoczce gazów. Ziemia jest bliżej tej granicy niż cokolwiek innego w naszym Układzie Słonecznym, a połączenie jej stosunkowo gęstego składu i ogromnej grawitacji własnej, ponieważ jesteśmy „18 razy masywniejsi od Merkurego”, stawia nas samych jako najgęstszy obiekt w naszym Układzie Słonecznym System.