Questo è il motivo per cui la Terra, sorprendentemente, è loggetto più denso del nostro sistema solare

Di tutti i pianeti, pianeti nani, lune, asteroidi e altri nel Sistema Solare, solo un oggetto può essere il più denso. Potresti pensare, basandoti sul fatto che la gravitazione è un processo incontrollato che si basa su se stesso in misura sempre maggiore, che gli oggetti più massicci di tutte le cose come Giove o persino il Sole sarebbero più densi, ma “sono meno di un quarto della densità della Terra.

Potresti prendere una strada diversa e pensare che i mondi che sono composti dalla maggior parte degli elementi più pesanti sarebbero anche i più densi. Se così fosse Tuttavia, Mercurio sarebbe il mondo più denso, e non lo è. Invece, di tutti i grandi oggetti conosciuti nel Sistema Solare, la Terra è il più denso di tutti. Ecco la sorprendente scienza del perché.

La densità è uno dei le più semplici proprietà non fondamentali della materia che possiate immaginare. Ogni oggetto che esiste, dal microscopico allastronomico, ha una certa quantità di energia a riposo intrinseca: quella che comunemente chiamiamo massa. Questi oggetti occupano anche una data quantità di spazio in tre dimensioni: ciò che conosciamo come volume. La densità è solo il rapporto tra queste due proprietà: la massa di un oggetto divisa per il suo volume.

Il nostro sistema solare stesso si è formato circa 4,5 miliardi di anni fa come si formano tutti i sistemi solari: da una nuvola di gas in una regione di formazione stellare che si è contratta e collassata sotto la sua stessa gravità. Recentemente, grazie a osservatori come ALMA (Atacama Large Millimeter / submillimetre Array), siamo stati in grado di visualizzare e analizzare direttamente i dischi protoplanetari che si formano attorno a queste stelle appena nate per la prima volta.

Alcuni dei le caratteristiche di unimmagine come questa sono sorprendenti. Puoi vedere un disco grande ed esteso attorno a una stella di nuova formazione: il materiale che darà origine a pianeti, lune, asteroidi, una cintura esterna (simile a Kuiper), ecc. vedere le lacune nel disco: posizioni in cui si stanno già formando oggetti massicci come i pianeti. Puoi vedere un gradiente di temperatura codificato a colori, dove le regioni interne sono più calde e le regioni esterne un è più freddo.

Ma ciò che non puoi vedere visivamente da unimmagine come questa è la presenza e labbondanza dei diversi tipi di materiali. Mentre molecole complesse e persino composti organici si trovano in sistemi come questo, ci sono tre importanti effetti che lavorano tutti insieme per determinare quali elementi finiscono in quali posizioni nel Sistema Solare che ne risulta.

Il primo fattore è la gravitazione, che è sempre una forza attrattiva. In un disco di materia costituito da minuscole particelle, quelle che sono più vicine allinterno del disco ruoteranno attorno al centro del sistema solare a velocità leggermente superiori rispetto a quelle leggermente più lontane, causando collisioni tra le particelle mentre passano una un altro in questa danza orbitale.

Dove si sono già formate particelle leggermente più grandi, o dove particelle più piccole si uniscono per formare quelle più grandi, la forza gravitazionale diventa leggermente più grande, poiché avere una regione troppo densa attrae preferenzialmente sempre più la massa circostante. Da migliaia a milioni a decine di milioni di anni, ciò porterà alla formazione incontrollata di pianeti in qualsiasi luogo abbia accumulato la massa maggiore in un luogo il più veloce.

Il secondo fattore è la temperatura della stella centrale mentre evolve dalla sua pre -nascita come una nube molecolare attraverso la sua fase di protostella alla sua lunga vita come stella a tutti gli effetti. Nella regione interna più vicina alla stella, solo gli elementi più pesanti di tutti possono sopravvivere, poiché tutto il resto è troppo leggero che viene distrutto dallintenso calore e dalle radiazioni. I pianeti più interni saranno fatti di soli metalli.

Oltre a questo, cè “una linea del gelo (senza ghiacci volatili allinterno ma con ghiacci volatili oltre), dove si sono formati tutti i nostri pianeti terrestri allinterno della linea del gelo. Sebbene queste linee siano interessanti, ci insegna anche che esiste “un gradiente di materiale che si forma nel sistema solare: gli elementi più pesanti si trovano nella proporzione più alta vicino alla stella centrale, mentre gli elementi più pesanti sono meno abbondante più lontano.

E il terzo e ultimo elemento è che cè unintricata danza gravitazionale che ha luogo nel tempo. I pianeti migrano. Le stelle si riscaldano e i ghiacci vengono strappati via dove una volta era consentito. I pianeti che potrebbero aver orbitato intorno alla nostra stella nelle fasi precedenti possono essere espulsi, colpiti dal Sole o innescati in collisione e / o fusione con altri mondi.

E se ti avvicini troppo alla stella che fissa il tuo sistema solare, gli strati esterni dellatmosfera della stella possono fornire abbastanza attrito da causare la destabilizzazione della tua orbita, a spirale nella stella centrale si. Guardando il nostro Sistema Solare oggi, 4,5 miliardi di anni dopo che lintera cosa si è formata, possiamo concludere un sacco di cose su come dovevano essere le cose nelle prime fasi. Possiamo mettere insieme un quadro generale di ciò che è accaduto per creare le cose come sono oggi.

Ma tutti noi sono rimasti i sopravvissuti. Quello che vediamo segue uno schema generale che è molto coerente con lidea che i nostri otto pianeti si siano formati allincirca nellordine in cui si trovano oggi: Mercurio come il mondo più interno, seguito da Venere, Terra, Marte, la cintura degli asteroidi, poi il quattro giganti gassosi ciascuno con il proprio sistema lunare, la fascia di Kuiper e infine la nube di Oort.

Se tutto fosse basato esclusivamente sugli elementi che li compongono, Mercurio sarebbe il pianeta più denso. Mercurio ha una proporzione maggiore di elementi che sono più alti nella tavola periodica rispetto a qualsiasi altro mondo conosciuto nel Sistema Solare. Anche gli asteroidi che hanno avuto i loro ghiacci volatili evaporati non sono densi quanto Mercurio è basato solo sugli elementi. Venere è il numero 2, la Terra è il numero 3, seguito da Marte, alcuni asteroidi e poi la luna più interna di Giove: Io .

Ma non è solo la composizione della materia prima di un mondo a determinarne la densità. Cè anche il problema della compressione gravitazionale, che ha un effetto maggiore per mondi quanto più grandi sono le loro masse siamo. Questo è qualcosa su cui abbiamo imparato molto studiando i pianeti al di fuori del nostro Sistema Solare, poiché ci hanno insegnato quali sono le diverse categorie di esopianeti. Questo ci ha permesso di dedurre quali sono i processi fisici in gioco che portano ai mondi che osserviamo.

Se ti trovi al di sotto di circa due masse terrestri, diventerai un roccioso, simile a un terrestre pianeta, con pianeti di massa maggiore che subiscono una maggiore compressione gravitazionale.Al di sopra di questo, inizi ad aggrapparti a un involucro gassoso di materia, che “gonfia” il tuo mondo e diminuisce la sua densità tremendamente mentre sali in massa, spiegando perché Saturno è il pianeta meno denso. Al di sopra di unaltra soglia, la compressione gravitazionale prende nuovamente il comando; Saturno è l85% delle dimensioni fisiche di Giove, ma solo un terzo della massa. E oltre unaltra soglia, la fusione nucleare si accende, trasformando un potenziale pianeta in una stella.

Se avessimo un mondo come Giove abbastanza vicino al Sole, la sua atmosfera verrebbe spogliata, rivelando un nucleo che certamente essere più denso di tutti i pianeti del nostro Sistema Solare oggi. Gli elementi più densi e pesanti affondano sempre nel nucleo durante la formazione del pianeta e la gravitazione comprime quel nucleo per renderlo ancora più denso di quanto sarebbe stato altrimenti. Ma non abbiamo un mondo simile nel nostro cortile.

Invece, abbiamo solo un pianeta terrestre roccioso relativamente pesante: la Terra, il mondo più pesante del nostro Sistema Solare senza un grande involucro gassoso. A causa di il potere della sua stessa gravitazione, la Terra è compressa di una piccola percentuale rispetto a quella che sarebbe stata la sua densità senza tanta massa. La differenza è sufficiente per superare il fatto che è composta da elementi più leggeri complessivamente di Mercurio (da qualche parte tra 2-5%) per renderlo circa il 2% più denso di Mercurio nel suo complesso.

Se gli elementi di cui sei stato composto fossero lunica metrica che contava per la densità, allora Mercurio sarebbe senza dubbio il pianeta più denso del Sistema Solare. Senza un oceano o unatmosfera a bassa densità e fatto di elementi più pesanti sulla tavola periodica (in media) di qualsiasi altro oggetto nelle nostre vicinanze, ci vorrebbe la torta. Eppure la Terra, quasi tre volte più distante dal Sole, fatta di materiali più leggeri e con una notevole atmosfera, scricchiola avanti con una densità del 2% maggiore.

La spiegazione? La Terra ha una massa sufficiente da rendere significativa la sua auto-compressione dovuta alla gravitazione: quasi quanto si può ottenere prima di iniziare ad aggrapparsi a un grande involucro volatile di gas. La Terra è più vicina a quel limite di qualsiasi altra cosa nel nostro Sistema Solare, e la combinazione della sua composizione relativamente densa e della sua enorme gravità personale, dato che siamo 18 volte più massicci di Mercurio, ci pone da soli come loggetto più denso del nostro Solare. Sistema.