Os oito planetas de nosso sistema solar e nosso Sol, em escala de tamanho, mas não em termos de orbitais … distâncias. Observe que esses são os únicos oito objetos que atendem a todos os três critérios planetários estabelecidos pela IAU e que orbitam ao redor do Sol a apenas alguns graus do mesmo plano que o outro.
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De todos os planetas, planetas anões, luas, asteróides e mais no Sistema Solar, apenas um objeto pode ser o mais denso. Você pode pensar, com base no fato de que a gravitação é um processo descontrolado que se desenvolve em um grau cada vez maior, que os objetos mais massivos de todas as coisas como Júpiter ou mesmo o Sol seriam os mais densos, mas eles “são menos do que um quarto da densidade da Terra.
Você pode seguir um caminho diferente e pensar que os mundos feitos da maior proporção dos elementos mais pesados também seriam os mais densos. Se fosse esse o caso , no entanto, Mercúrio seria o mundo mais denso, e não é. Em vez disso, de todos os grandes objetos conhecidos no Sistema Solar, a Terra é o mais denso de todos. Aqui está a surpreendente ciência do porquê.
Uma comparação dos planetas no Sistema Solar por tamanho. O raio da Terra é de apenas 5% maior que … Vênus, mas Urano e Netuno têm quatro vezes o raio do nosso mundo.
Lsmpascal do Wikimedia Commons
A densidade é um dos as propriedades não fundamentais mais simples da matéria que você pode imaginar. Todo objeto que existe, do microscópico ao astronômico, tem uma certa quantidade de energia em repouso intrínseca: o que comumente chamamos de massa. Esses objetos também ocupam uma determinada quantidade de espaço em três dimensões: o que conhecemos como volume. A densidade é apenas a proporção dessas duas propriedades: a massa de um objeto dividida por seu volume.
Nosso próprio Sistema Solar foi formado há cerca de 4,5 bilhões de anos, da mesma forma que todos os sistemas solares são formados: a partir de uma nuvem de gás em uma região de formação de estrelas que se contraiu e entrou em colapso sob sua própria gravidade. Recentemente, graças a observatórios como o ALMA (Atacama Large Millimeter / submillimetre Array), pudemos visualizar e analisar diretamente os discos protoplanetários que se formam em torno dessas estrelas recém-nascidas pela primeira vez.
O disco protoplanetário em torno da jovem estrela, HL Tauri, fotografado pelo ALMA. As lacunas no … disco indicam a presença de novos planetas, enquanto as medições espectroscópicas revelam um grande número e diversidade de compostos orgânicos contendo carbono.
ALMA (ESO / NAOJ / NRAO)
Alguns dos características de uma imagem como esta são impressionantes. Você pode ver um grande disco estendido em torno de uma estrela em formação recente: o material que dará origem a planetas, luas, asteróides, um cinturão externo (tipo Kuiper) etc. veja lacunas no disco: locais onde objetos massivos, como planetas, já estão se formando. Você pode ver um gradiente de temperatura codificado por cores, onde as regiões internas são mais quentes e as regiões externas são mais frio.
Mas o que você não pode ver visualmente em uma imagem como esta é a presença e abundância dos diferentes tipos de materiais. Embora moléculas complexas e até compostos orgânicos sejam encontrados em sistemas como este, existem três efeitos importantes que trabalham juntos para determinar quais elementos acabam em quais locais no Sistema Solar isso resulta.
Uma ilustração de um disco protoplanetário, onde os planetas e planetesimais se formam primeiro, criando … “lacunas” no disco quando o fazem. Assim que a proto-estrela central fica quente o suficiente, ela começa a soprar os elementos mais leves dos sistemas protoplantares circundantes. Um planeta como Júpiter ou Saturno tem gravidade suficiente para reter os elementos mais leves, como hidrogênio e hélio, mas um mundo de massa inferior como a Terra não.
NAOJ
O primeiro fator é a gravitação, que é sempre uma força atrativa. Em um disco de matéria feito de partículas minúsculas, as que estão mais próximas do interior do disco irão girar em torno do centro do sistema solar em velocidades um pouco maiores do que aquelas um pouco mais distantes, causando colisões entre as partículas à medida que passam por um outro nesta dança orbital.
Onde partículas ligeiramente maiores já se formaram, ou onde partículas menores se juntam para formar outras maiores, a força gravitacional torna-se ligeiramente maior, já que uma região superdensa atrai preferencialmente mais e mais a massa circundante. Ao longo de milhares a milhões a dezenas de milhões de anos, isso levará à formação descontrolada de planetas em quaisquer locais que acumulassem mais massa em um local o mais rápido.
Um esquema de um disco protoplanetário, mostrando as linhas de fuligem e de gelo.Para uma estrela como o Sol, … as estimativas colocam a Linha de Gelo em algo em torno de três vezes a distância inicial Terra-Sol, enquanto a Linha de Fuligem está significativamente mais adiante. A localização exata dessas linhas no passado do nosso Sistema Solar é difícil de definir.
NASA / JPL-Caltech, anunciações do Invader Xan
O segundo fator é a temperatura da estrela central à medida que ela evolui de seu período anterior – nascimento como nuvens moleculares, passando por sua fase como proto-estrela até sua longa vida como estrela completa. Na região interior mais próxima da estrela, apenas os elementos mais pesados de todos podem sobreviver, pois tudo o mais é muito leve que ele é destruído pelo intenso calor e radiação. Os planetas mais interiores serão feitos apenas de metais.
Fora disso, há “uma linha de gelo (sem nenhum gelo volátil no interior, mas com gelo volátil além disso), onde todos os nossos planetas terrestres se formaram dentro da linha de gelo. Embora essas linhas sejam interessantes, também nos ensina que há um gradiente de material que se forma no sistema solar: os elementos mais pesados são encontrados na proporção mais alta perto da estrela central, enquanto os elementos mais pesados são menos abundante mais longe.
Conforme os sistemas solares evoluem em geral, os materiais voláteis evaporam, os planetas acumulam matéria … os planetesimais se fundem ou interagem gravitacionalmente e ejetam corpos, e as órbitas migram para configurações estáveis. Os planetas gigantes gasosos podem dominar gravitacionalmente a dinâmica do nosso Sistema Solar, mas os planetas rochosos internos são onde toda a bioquímica interessante está acontecendo, tanto quanto sabemos. Em outros sistemas solares, a história pode ser muito diferente, dependendo de onde os vários planetas e luas acabam migrando para.
Usuário do Wikimedia Commons AstroMark
E o terceiro e último elemento é que há uma intrincada dança gravitacional que ocorre ao longo do tempo. Os planetas migram. As estrelas aquecem e o gelo é removido de onde antes era permitido. Os planetas que orbitaram a nossa estrela em estágios anteriores podem ser ejetados, disparados para o Sol ou provocados em colisão e / ou fusão com outros mundos.
E se você chegar muito perto da estrela que ancora seu sistema solar, as camadas externas da atmosfera da estrela podem fornecer atrito suficiente para fazer com que sua órbita se desestabilize, espiralando para a estrela central em si. Olhando para o nosso Sistema Solar hoje, 4,5 bilhões de anos depois que tudo se formou, podemos concluir uma série de coisas terríveis sobre como as coisas deveriam ter sido nos estágios iniciais. Podemos montar uma imagem geral do que ocorreu para criar as coisas como elas são hoje.
Uma ilustração de como uma sinestia pode se parecer : um anel inflado que envolve um planeta … subsequente a um impacto de grande momento angular de alta energia. Agora, acredita-se que nossa Lua foi formada por uma colisão precoce com a Terra que criou tal fenômeno.
Sarah Stewart / UC Davis / NASA
Mas todos nós deixaram são os sobreviventes. O que vemos segue um padrão geral que “é muito consistente com a ideia de que nossos oito planetas se formaram mais ou menos na ordem em que estão hoje: Mercúrio como o mundo mais interno, seguido por Vênus, Terra, Marte, o cinturão de asteróides, depois o quatro gigantes gasosos, cada um com seu próprio sistema lunar, o cinturão de Kuiper e, finalmente, a nuvem de Oort.
Se tudo se baseasse puramente nos elementos que os compõem, Mercúrio seria o planeta mais denso. Mercúrio tem uma proporção maior de elementos que são mais altos na tabela periódica em comparação com qualquer outro mundo conhecido no Sistema Solar. Mesmo os asteróides que tiveram seus gelos voláteis fervidos não são tão densos quanto Mercúrio é baseado apenas em elementos. Vênus é # 2, a Terra é # 3, seguido por Marte, alguns asteróides e, em seguida, a lua mais interna de Júpiter: Io .
Densidades de vários corpos no Sistema Solar. Observe a relação entre densidade e distância … do Sol, a semelhança de Tritão com Plutão, e como até os satélites de Júpiter, de Io a Calisto, variam em densidade tremendamente.
Karim Khaidarov
Mas não é apenas a composição da matéria-prima de um mundo que determina sua densidade. Há também a questão da compressão gravitacional, que tem um efeito maior para os mundos quanto maiores suas massas estamos. Aprendemos muito sobre isso ao estudar planetas além de nosso próprio Sistema Solar, pois eles nos ensinaram quais são as diferentes categorias de exoplanetas. Isso nos permitiu inferir quais processos físicos estão em jogo que levam aos mundos que observamos.
Se você está abaixo de cerca de duas massas terrestres, você será um tipo rochoso, semelhante a terrestre planeta, com planetas de maior massa experimentando mais compressão gravitacional.Acima disso, você começa a se pendurar em um envelope gasoso de matéria, que “expele” o seu mundo e diminui sua densidade tremendamente conforme você aumenta em massa, explicando por que Saturno é o planeta menos denso. Acima de outro limiar, a compressão gravitacional assume a liderança novamente; Saturno tem 85% do tamanho físico de Júpiter, mas apenas um terço da massa. E além de outro limiar, a fusão nuclear se inflama, transformando um planeta em potencial em uma estrela.
O melhor esquema de classificação baseado em evidências de planetas é categorizá-los como rochosos, … semelhantes a Netuno, semelhantes a Júpiter ou semelhantes a estelares. Observe que a “linha” que os planetas seguem até atingirem ~ 2 massas da Terra sempre permanece abaixo de todos os outros mundos no gráfico quando você continua a extrapolação.
Chen e Kipping, 2016, via https://arxiv.org/pdf/1603.08614v2.pdf
Se tivéssemos um mundo como Júpiter próximo o suficiente do Sol, sua atmosfera seria arrancada, revelando um núcleo que certamente ser mais denso do que qualquer um dos planetas em nosso Sistema Solar hoje. Os elementos mais densos e pesados sempre afundam até o núcleo durante a formação do planeta, e a gravitação comprime esse núcleo para ficar ainda mais denso do que seria de outra forma. Mas não temos nenhum mundo assim em nosso quintal.
Em vez disso, temos apenas um planeta terrestre rochoso relativamente pesado: a Terra, o mundo mais pesado em nosso Sistema Solar sem um grande envelope gasoso. Devido a a força de sua própria gravitação, a Terra é comprimida em alguns por cento sobre o que sua densidade teria sido sem tanta massa. A diferença é suficiente para superar o fato de que ela é composta de elementos mais leves do que Mercúrio (em algum lugar entre 2-5%) para torná-lo cerca de 2% mais denso do que o Mercúrio em geral.
Tanto quanto é do nosso conhecimento e com as melhores medições à nossa disposição, determinamos que … A Terra é o planeta mais denso de todos no Sistema Solar: cerca de 2% mais denso que Mercúrio e cerca de 5% mais denso que Vênus. Nenhum outro planeta, lua ou mesmo asteróide chega perto.
NASA
Se os elementos dos quais você foi feito fossem a única métrica que importava para densidade, então Mercúrio seria o planeta mais denso do Sistema Solar, sem dúvida. Sem um oceano ou atmosfera de baixa densidade, e feito de elementos mais pesados na tabela periódica (em média) do que qualquer outro objeto em nossa vizinhança, ele levaria o bolo. E ainda assim a Terra, quase três vezes mais distante do Sol, feita de materiais mais leves e com uma atmosfera substancial, range à frente com uma densidade 2% maior.
A explicação? A Terra tem massa suficiente para que sua autocompressão devido à gravitação seja significativa: quase tão significativa quanto você pode obter antes de começar a se agarrar a um grande envelope volátil de gases. A Terra está mais perto desse limite do que qualquer outra coisa em nosso Sistema Solar, e a combinação de sua composição relativamente densa e sua enorme autogravidade, já que temos 18 vezes a massa de Mercúrio, nos coloca sozinhos como o objeto mais denso de nosso Sistema Solar Sistema.