¿Por qué los planetas interiores son rocosos y los planetas exteriores grandes gigantes gaseosos?

He leído las otras respuestas, que para mí parecen tener una parte de la respuesta tal como la entiendo. Así que los reuniré como he aprendido en mi tiempo como meteorito y científico planetario.

Otras respuestas se han referido al hecho de que después de que el sol “se enciende”, expulsa el gas que hay en el disco. Esto significa que todos los gigantes gaseosos tuvieron que haber adquirido todo su gas ANTES de que el sol se pusiera en línea, no es poca cosa.

La teoría actualmente aceptada para los planetas similares a Júpiter y Saturno es la acumulación de núcleos. Para tomar tanto gas como Júpiter, un planeta necesita formar un núcleo de aproximadamente 10 veces la masa de la Tierra, que luego tendrá suficiente gravedad para absorber el gas del disco. Este es un montón de material. Los otros gigantes son más pequeños que Júpiter, pero aún necesitan bastante.

¡La cosa es que no puedes encontrar 10 veces la masa de material de la Tierra cerca del sol! Esto se debe a que, como han dicho otros, hacía demasiado calor para que cualquier otra cosa que no sea roca y metal sea sólido. Sin embargo, más lejos del sol (cerca de donde está hoy el cinturón de asteroides), hacía suficiente frío para que el agua fuera sólida. El agua es un compuesto muy común, por lo que al agregarlo a la lista de materiales al menos duplica la cantidad de sólido disponible. Más allá, otras cosas que consideramos gases como el CO2 y el CO también se enfrían lo suficiente como para solidificarse. Entonces, cuanto más lejos vayas, más cosas tienes disponibles para construir tu gran núcleo con el que aspirar gas. Sin embargo, a medida que avanza más y más, el material se vuelve cada vez más delgado y difícil de agregar al núcleo.

Es por eso que creemos que Júpiter (y también Saturno) son los más grandes de nuestro sistema solar: está razonablemente cerca del sol y aún se encuentra dentro de la región donde el agua era sólida. Urano y Neptuno pueden agregar agua y esos otros gases a sus núcleos, pero el material se está volviendo más escaso y, por lo tanto, esos planetas son más pequeños.

Como ha dicho Philip Freeman, esto parece explicar nuestro sistema solar bastante bien, pero no algunos de los otros sistemas de exoplanetas que hemos descubierto. Pero estamos bastante seguros de que todos esos exoplanetas cercanos tuvieron que formarse lo suficientemente lejos como para poder usar hielo de agua para formarse. Y algunos exoplanetas están muy lejos de sus estrellas, dentro del régimen de “material demasiado escaso”. Es posible que hayan necesitado otro método de formación llamado inestabilidad gravitacional. Pero dentro de nuestro propio sistema solar, la acumulación de núcleos sigue siendo el mecanismo preferido.

¡Espero que esto haya sido útil!

Solíamos estar bastante seguros de haber entendido esto … el viento solar aleja los gases ligeros del centro de la nebulosa a medida que forma los planetas, quedan elementos más pesados ​​… así que el sistema externo = gigantes gaseosos, sistema interno = planetas rocosos. Incluso podría dar una explicación razonable de los otros elementos y de cuán comunes eran en diferentes planetas.

El único problema era que teníamos exactamente un punto de datos para continuar, porque teníamos datos de un solo sistema solar.

Luego obtuvimos mejores instrumentos y comenzamos a conocer otros sistemas solares. Y hay ‘Júpiter calientes’ … gigantes gaseosos que orbitan muy cerca de sus estrellas. Aparentemente hay mundos rocosos en lugares que no esperaríamos y de todo tipo de tamaños. ¡Es un desastre!

Claramente hay más cosas de las que pensábamos. Todavía creemos que en los modelos básicos hemos tenido algo de verdad, pero ahora hemos visto (algo retroactivamente) que los planetas pueden ‘migrar’ a través de las interacciones de las mareas y terminar en diferentes partes del sistema solar y luego empezar a funcionar. Todavía estamos descubriendo exactamente cómo funciona esto, y nuestros datos están un poco sesgados porque es mucho más fácil encontrar planetas grandes en comparación con los más pequeños. Pero ahora tenemos muchos datos (¡gracias Kepler!) … y cuando James Webb se ponga en marcha (¿está todo el mundo emocionado? ¡Deberías estarlo!), Entonces esperamos tener mucho más. (Si no hubieran matado al Buscador de Planetas Terrestres ahora tendríamos más … ¿qué amargo? ¿Moi?) Veamos qué le sucede a TESS …

Aquí hay un gráfico encantador de algunos de los sistemas solares encontrados por Kepler: APOD: 5 de diciembre de 2015

Bueno, primero diré que esto podría ser un accidente de circunstancias (debido a la historia única de nuestro sistema solar). Ahora estamos descubriendo numerosos “Júpiter calientes” que están lejos de su Sol, y esto está obligando a los astrónomos y científicos planetarios a revisar sus modelos de formación planetaria. A partir de ahora, no tenemos un modelo concluyente de formación planetaria.

Sin embargo, un factor importante tiene que ver con Jeans Escape. Vea el artículo de David Catling sobre escape atmosférico en http://faculty.washington.edu/dc… . Básicamente, después de la acumulación planetaria, todos los planetas tenían núcleos rocosos ( http://www.sciencedaily.com/rele …). Todos ellos fueron capaces de capturar el gas de hidrógeno a su alrededor en la nebulosa. Sin embargo , los planetas interiores estaban tan cerca del Sol que el Sol calentó sus atmósferas exteriores hasta el punto de que su energía térmica era lo suficientemente alta como para permitir que cantidades significativas de hidrógeno y helio escaparan de sus atmósferas externas durante la vida útil del sistema solar ( a través de Jeans Escape).

Los planetas exteriores en realidad comenzaron como núcleos rocosos. Sin embargo, estaban lo suficientemente lejos del Sol como para que sus atmósferas externas no se calentaran lo suficiente como para dejar escapar sus atmósferas externas a través de Jeans Escape. Por lo tanto, pudieron seguir acumulando el gas residual de hidrógeno y helio ( que eran responsables del 90% de la masa de la nebulosa solar: http://csep10.phys.utk.edu/astr1 …). Y este gas residual de hidrógeno y helio aumentó significativamente su masa y sus campos gravitacionales (lo que, a su vez, los hizo acumular más de la masa restante a un ritmo más rápido). Esto, a su vez, los convirtió en gigantes gaseosos.

Por supuesto, esto no explica todo: los núcleos de Júpiter y Saturno ya eran mucho más masivos que los núcleos de los planetas internos, para empezar. No sabemos completamente por qué los planetas internos tienen núcleos internos menos masivos, pero puede tener algo que ver con colisiones que ayudaron a romper los planetas interiores (como el que probablemente chocó con la Tierra para formar la Luna): las colisiones tienden a tener velocidades relativas más altas más cercanas al centro del campo gravitacional masivo del Sol – vea el diagrama a continuación

En el Sistema Solar, la línea Frost (también conocida como Línea de Hielo) define el límite donde se condensan moléculas simples como dihidrógeno, H2, dinitrógeno N2, dicloro Cl2, agua H2O, amoníaco NH3, etc. Esta línea está a menos de 5 UA o aproximadamente a 700 millones de kilómetros del Sol, entre el cinturón de asteroides y la órbita de Júpiter. Marca la separación entre los planetas terrestres y los planetas gaseosos. (En la Tierra, la profundidad a la que el agua en el suelo se congelará en el invierno se conoce como la Línea de Escarcha. La profundidad de la línea de escarcha es esencial porque influye en la construcción de edificios y carreteras; dado que el agua se expande a medida que se congela, la infraestructura está por encima la línea de escarcha puede ser propensa a reventar tuberías, cimientos agrietados y problemas similares).

En el disco protoplanetario, (Un disco de gas y polvo, que orbita una estrella recién formada, a partir de la cual eventualmente se pueden formar los planetas), los objetos se forman de acuerdo con la abundancia de elementos químicos en la nebulosa original. El hidrógeno era abundante (aproximadamente el 75% de la masa), seguido del helio (23%), otros elementos (2%).

Cerca del Sol, debajo de la Línea de Escarcha había elementos más pesados ​​como silicatos y metales. La alta temperatura no permite la condensación (del estado gaseoso al sólido) de moléculas ligeras como agua, amoníaco, hidrógeno, dióxido de carbono o sulfuro de metano. Entonces, en este punto, se han formado pequeños objetos terrestres de baja masa: Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. Al ser escaso, la materia sólida disponible ha generado solo objetos pequeños.

Fuente de la imagen: Frost Line in Astronomy

Más allá de la línea de hielo, la temperatura cae por debajo de 260 k y las moléculas de agua, amoníaco, sulfuro de hidrógeno, dióxido de carbono y metano se condensan. El colapso gravitacional en los grandes núcleos que rodean el gas, principalmente hidrógeno y helio, formaron los planetas gigantes (Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno). Alrededor de estos pequeños sistemas, muchos pequeños objetos helados (satélites) pudieron reagruparse. Júpiter atrajo tanto gas que finalmente llegó a 318 masas terrestres. Si Saturno tiene una masa sustancialmente más baja (95 masas terrestres) es simplemente porque probablemente se formó unos millones de años después de Júpiter, mientras que había menos gas disponible. En este proceso de condensación, el agua relativamente abundante, ha jugado un papel clave entre las moléculas simples, la molécula de agua es la primera en condensarse cuando la temperatura disminuye. La condensación de agua alrededor de 260 K, marca el límite de la “línea de hielo” que separa los planetas terrestres de los planetas gaseosos.

A pesar de todo esto, hay algunos gigantes gaseosos que se encuentran dentro de la línea de escarcha de algunos sistemas más allá del sistema solar. La única explicación disponible ahora es
que se formaron fuera de la línea de escarcha y luego migraron hacia adentro.

Ref: línea de escarcha o línea de nieve o línea de hielo en el sistema solar

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