Det är därför jorden, överraskande nog, är det tätaste objektet i vårt solsystem

Av alla planeter, dvärgplaneter, månar, asteroider och mer i solsystemet kan bara ett objekt vara det tätaste. Du kanske tror, baserat på det faktum att gravitation är en flyktig process som bara bygger på sig i större och större grad, att de mest massiva föremålen av alla saker som Jupiter eller till och med solen skulle vara tätast, men de är mindre än en fjärdedel av jordens täthet.

Du kanske går en annan väg och tror att världarna som är gjorda av den största andelen av de tyngsta elementen skulle vara den tätaste också. Om så vore fallet emellertid skulle Merkurius vara den tätaste världen, och det är inte det. I stället för alla stora föremål som är kända i solsystemet är jorden den tätaste av alla. Här är den överraskande vetenskapen om varför.

Densitet är en av de enklaste icke-grundläggande egenskaperna hos materien du kan föreställa dig. Varje objekt som existerar, från det mikroskopiska till det astronomiska, har en viss mängd energi i vila i sig: det vi vanligtvis kallar massa. Dessa objekt tar också upp en viss mängd utrymme i tre dimensioner: vad vi känner som volym. Densitet är bara förhållandet mellan dessa två egenskaper: massan av ett objekt dividerat med dess volym.

Själva vårt solsystem bildades för ungefär 4,5 miljarder år sedan på det sätt som alla solsystem bildas: från ett moln av gas i en stjärnbildande region som kom ihop och kollapsade under sin egen tyngdkraft. Nyligen, tack vare observatorier som ALMA (Atacama Large Millimeter / submillimetre Array), har vi kunnat direkt avbilda och analysera de protoplanetära skivorna som bildas runt dessa nyfödda stjärnor för första gången.

Några av de funktioner i en bild som denna är slående. Du kan se en stor, utökad skiva runt en nybildande stjärna: materialet som kommer att ge upphov till planeter, månar, asteroider, ett yttre (Kuiper-liknande) bälte etc. Du kan se luckor på skivan: platser där massiva föremål som planeter redan bildas. Du kan se en färgkodad temperaturgradient, där de inre regionerna är hetare och de yttre regionerna en re kallare.

Men vad du inte kan se visuellt från en bild som denna är närvaron och överflödet av de olika typerna av material. Medan komplexa molekyler och till och med organiska föreningar finns i system som detta finns det tre viktiga effekter som alla arbetar tillsammans för att bestämma vilka element som hamnar på vilka platser i solsystemet som resulterar.

Den första faktorn är gravitation, som alltid är en attraktiv kraft. I en materia-skiva som består av små partiklar kommer de som ligger närmare insidan av skivan att kretsa runt solsystemets centrum med något högre hastigheter än de som ligger något längre ut och orsaka kollisioner mellan partiklarna när de passerar en. en annan i denna orbitaldans.

Där något större partiklar redan har bildats, eller där mindre partiklar hänger ihop för att bilda större, blir tyngdkraften något större, eftersom det att ha en överdriven region föredrar mer och mer den omgivande massan. Över tusentals till miljoner till tiotals miljoner år kommer detta att leda till att flygplanation bildas på vilken plats som helst som hämtade mest massa på en plats snabbast.

Den andra faktorn är den centrala stjärnans temperatur när den utvecklas från dess tidigare -födelse som ett molekylärt moln genom sin fas som en proto-stjärna till sin långa livstid som en fullfjädrad stjärna. I det inre området närmast stjärnan kan bara de tyngsta elementen av alla överleva, eftersom allt annat är för lätt den sprängs isär av intensiv värme och strålning. De mest inre planeterna kommer att vara gjorda av metaller ensam.

Utanför det finns en frostlinje (utan flyktiga isinterior till det men med flyktiga isar bortom det), där våra markbundna planeter alla bildades Även om dessa linjer är intressanta lär det oss också att det finns en gradient av material som bildas i solsystemet: de tyngsta elementen finns i den högsta andelen närmast den centrala stjärnan, medan de tyngre elementen är mindre rikligt längre bort.

Och det tredje och sista elementet är att det finns en invecklad gravitationsdans som äger rum över tid. Planeter migrerar. Stjärnor värms upp och isar avlägsnas där de tilläts en gång tidigare. Planeter som kan ha kretsat kring vår stjärna i tidigare steg kan skjutas ut, skjutas i solen eller utlösas till att kollidera med och / eller smälta samman med andra världar.

Och om du kommer för nära stjärnan som förankrar ditt solsystem kan de yttre lagren i stjärnans atmosfär ge tillräckligt med friktion för att få din bana att destabilisera och spiral in i den centrala stjärnan sig. När vi tittar på vårt solsystem idag, 4,5 miljarder år efter att det hela bildats, kan vi dra en massa saker om hur saker måste ha varit i de tidiga stadierna. Vi kan sätta ihop en allmän bild av vad som hände för att skapa saker som de är idag.

Men allt vi har lämnat är de överlevande. Det vi ser följer ett allmänt mönster som är mycket förenligt med tanken att våra åtta planeter bildades i ungefär den ordning de är i idag: kvicksilver som den innersta världen, följt av Venus, jorden, Mars, asteroidbältet, sedan fyra gasjättar var och en med sitt eget månsystem, Kuiper-bältet och äntligen Oortmolnet.

Om allt baserades rent på de element som utgör dem, skulle Merkurius vara den tätaste planeten. Kvicksilver har en högre andel av elementen som är högre på det periodiska systemet jämfört med någon annan känd värld i solsystemet. Till och med asteroiderna som har fått sina flyktiga isar kokta av är inte så täta som kvicksilver är baserat på enbart element. Venus är # 2, jorden är # 3, följt av Mars, några asteroider och sedan Jupiters innersta måne: Io .

Men det är inte bara en världs råmaterialkomposition som bestämmer dess densitet. Det finns också frågan om gravitationskompression, vilket har en större effekt för världar ju större deras massor är är. Detta har vi lärt oss mycket om genom att studera planeter bortom vårt eget solsystem, eftersom de har lärt oss vad de olika kategorierna av exoplanet är. Detta gjorde det möjligt för oss att dra slutsatser om vilka fysiska processer som spelar som leder till de världar vi observerar. planeten, med större massplaneter som upplever mer gravitationskompression.Ovanför det börjar du hänga på ett gasformigt hölje av materia, som ”puffar ut” din värld och tappar densiteten enormt när du går upp i massa och förklarar varför Saturnus är den minst täta planeten. Över en annan tröskel tar gravitationskompressionen ledningen igen; Saturnus är 85% av Jupiters fysiska storlek, men bara en tredjedel av massan. Och bortom en annan tröskel tänds kärnfusion och förvandlar en blivande planet till en stjärna.

Om vi hade en värld som Jupiter som var tillräckligt nära solen skulle dess atmosfär tas bort och avslöja en kärna som verkligen skulle vara tätare än någon av planeterna i vårt solsystem idag. De tätaste, tyngsta elementen sjunker alltid ner till kärnan under planetbildning, och gravitationen komprimerar kärnan så att den blir ännu tätare än den annars skulle ha varit. Men vi har ingen sådan värld i vår bakgård.

Istället har vi bara en relativt tung stenig, markbunden planet: Jorden, den tyngsta världen i vårt solsystem utan ett stort gasformigt hölje. På grund av kraften av sin egen gravitation, komprimeras jorden med några procent över vad dess densitet skulle ha varit utan så mycket massa. Skillnaden är tillräcklig för att övervinna det faktum att den är gjord av lättare element totalt än kvicksilver är (någonstans mellan 2-5%) för att göra det cirka 2% tätare än kvicksilver totalt.

Om elementen du var gjorda av var det enda måttet som betydde för densitet, då Kvicksilver skulle utan tvekan vara den tätaste planeten i solsystemet. Utan ett hav eller atmosfär med låg densitet och gjorda av tyngre element på det periodiska systemet (i genomsnitt) än något annat föremål i vårt område, skulle det ta kakan. Och ändå, jorden, nästan tre gånger så långt från solen, gjord av lättare material och med en betydande atmosfär, gnisslar framåt med en 2% större densitet.

Förklaringen? Jorden har tillräckligt med massa för att dess självkomprimering på grund av gravitation är betydande: nästan lika betydelsefullt som du kan få innan du börjar hänga på ett stort, flyktigt hölje av gaser. Jorden är närmare den gränsen än någonting annat i vårt solsystem, och kombinationen av dess relativt täta sammansättning och dess enorma egenvikt, eftersom vi är 18 gånger så massiva som kvicksilver, placerar oss ensamma som det tätaste föremålet i vårt sol System.