Si alguien colocara una gota de agua en la masa de Júpiter 1 au de una estrella idéntica a nuestro sol sin planetas en el sistema, ¿qué haría y en qué escalas de tiempo?

Pregunta original

Si alguien colocara una gota de agua en la masa de Júpiter 1 au de una estrella idéntica a nuestro sol sin planetas en el sistema, ¿qué haría y en qué escalas de tiempo?

La pregunta no especifica ninguna velocidad inicial para la gota de agua. Es fácil imaginar los siguientes dos escenarios:

  1. Velocidad inicial cero con respecto a la estrella
  2. Velocidad orbital para una órbita circular a la distancia establecida de 1 Au

En el caso 1, la gota descenderá rápidamente la gravedad hacia el centro de la estrella y, básicamente, caerá libremente hasta que se fusione por completo con la estrella. La masa de la estrella es mucho más grande que la del blob que simplemente asimilará el blob sin más preámbulos. La metalicidad de la estrella aumentará un poco, ya que el agua contiene principalmente oxígeno en peso. Esto probablemente cambiará ligeramente las líneas espectrales de la estrella e indicará a los observadores lejanos que algo sucedió.

En el caso 2, la burbuja permanecerá en una órbita estable alrededor de la estrella, permitiendo más tiempo para que los otros procesos fisicoquímicos (ver más abajo) completen su evolución antes de alcanzar el equilibrio térmico.

En el caso de otras velocidades iniciales inferiores a la velocidad de escape, la burbuja se moverá en alguna otra órbita alrededor de la estrella, lo más probable es que colisione con la estrella o, en algunos casos, continúe en una órbita estable diferente a la más simple.

En todos los casos, la burbuja colapsará inmediatamente bajo su propia gravedad para formar un cuerpo con una densidad similar en el núcleo como Júpiter. El escenario de caída libre no dará tiempo suficiente para que este colapso se complete antes de que todo el blob se fusione con la estrella principal.

En los otros escenarios, habrá una gran transferencia de la energía potencial gravitacional del agua a la energía cinética a medida que la gota se colapsa, y luego de la energía cinética al calor a medida que las moléculas de agua chocan, se frotan entre sí y se comprimen por la gravedad.

Suponemos que el núcleo de Júpiter consiste en hidrógeno metálico debido a la inmensa presión. El agua es mucho más densa que el gas de hidrógeno que la gota acuosa será mucho más pequeña que la gota gaseosa que llamamos Júpiter. Pero con la misma masa total, la presión gravitacional en el núcleo será la misma.

No estoy seguro de si el calor liberado será suficiente para generar un hidrógeno – plasma de oxígeno e incluso iniciar la fusión de hidrógeno en el núcleo de la burbuja. Si es así, terminaríamos con un sistema estelar binario donde la estrella enana recién formada existirá durante otros 5 mil millones de años, hasta que esté envuelta por la fase gigante roja de su compañera más grande (al igual que la Tierra). Si no se enciende, probablemente aún obtendríamos un gran destello de luz que podría ser visto por observadores lejanos, que en consecuencia podrían observar las líneas de absorción de oxígeno en el espectro del nuevo planeta. Yo diría que este planeta sería una especie de gigante gaseoso, dado que la mayor parte del agua sería gaseosa simplemente “hirviendo”, y gran parte incluso estaría en forma de átomos de hidrógeno u oxígeno e iones, potencialmente en estados excitados si la energía es suficiente para ejecutar los electrones en órbitas superiores (dado que suponemos que no hay fusión nuclear). Estos átomos e iones se recombinarán para formar nuevas moléculas de agua durante los milenios posteriores, y los electrones excitados liberarán radiación a medida que los átomos vuelvan a sus estados regulares, haciendo que el planeta brille débilmente.

NOTA: No hice ningún cálculo aquí, por lo que esta descripción es cualitativa, basada en mi intuición y estaré encantado de publicar revisiones a continuación si / cuando alguien presente estimaciones precisas que puedan aclarar exactamente cuáles de las opciones I ‘ He mencionado anteriormente realmente tendrá lugar.

Bueno, lo primero que haría sería congelarse por fuera. Tal vez. Lo que sucede en el interior, bueno, es un trato completamente diferente.

Tenemos una masa de agua en masa de Júpiter. En el exterior, probablemente va a ser hielo. Volveré a eso más tarde. Debajo de esa superficie, tienes agua líquida. Lo que sucede en el núcleo, bueno, esa es la pregunta. La compresión tendrá efectos interesantes sobre el agua.

Se estima que la presión central de Júpiter es de aproximadamente 4TPa. Aquí hay un diagrama (cortesía de Wikipedia) de lo que le sucede al agua bajo compresión:

Como puede ver, estamos en la parte superior del diagrama en términos de presión. También estamos muy a la derecha en términos de temperatura: se cree que la temperatura central de Júpiter es superior a 36,000 K. Waterworld tiene la misma masa, por lo que asumiremos lo mismo.

Por lo tanto, nadie sabe en qué estado encontraríamos agua en el centro de nuestro mundo acuático. Mi propia sospecha es que las moléculas de agua se habrán disociado en hidrógeno y oxígeno, y posiblemente en una forma exótica degenerada de la materia. El hidrógeno por sí solo se volvería metálico, pero tampoco sé del todo cómo se comportaría con el oxígeno en la mezcla. Necesitaría un experto en materiales exóticos, y mi base en la ciencia planetaria es más sobre las características de la superficie.

Mencioné que la superficie de Waterworld probablemente sería hielo, en lugar de agua líquida, a pesar de estar a la misma distancia de su estrella que la Tierra al Sol. (Que es lo que significa 1 UA). ¿Por qué es eso? Simplemente: no hay reacción nuclear en el núcleo de Waterworld. Claro, es denso y hará calor justo en el núcleo, pero el núcleo está muy lejos de la superficie, así que creo que la superficie se congelará. Sí, tendrá una atmósfera de vapor de agua, hidrógeno y oxígeno, pero tanto la atmósfera como la superficie blanca conspirarán para proporcionar un albedo muy alto. Dicho de otra manera, es muy blanco y reflejará, en lugar de absorber, la luz solar.

Así que ese es nuestro mundo acuático. ¿Qué haría sin planetas en el sistema? Bueno, siempre habrá algo de masa errante, en forma de gas, meteoritos, cometas, etc. Seamos realistas, una acumulación de gas fue lo que dio origen a su estrella, y eso no sucede en un vacío puro.

Lo que Waterworld hará es actuar como un pastor. Su gravedad reunirá material tanto antes como después en su órbita. Esto se acumulará en masas discretas, convirtiéndose en los asteroides troyanos de Júpiter.

Waterworld también capturará los asteroides y los cometas que pasan de su equivalente a la nube de Oort: investigaciones recientes sugieren estructuras similares en la mayoría de los sistemas solares. Estos se convertirán en lunas (posiblemente también en un sistema de discos como el de Saturno) o tendrán sus órbitas solares de largo período perturbadas para convertirse en planetas por su propia cuenta.

Durante un período más largo, el sistema solar desarrollará su sistema planetario, con Waterworld como su pastor.

Un punto interesante es que, como Júpiter, Waterworld no orbitará su estrella. Si la estrella es del mismo tamaño que nuestro Sol, o más pequeña, coorbitarán alrededor de un punto común llamado baricentro, su centro de gravedad común.

En el caso de nuestro sistema solar, ese baricentro está justo afuera del Sol: de hecho, alrededor del 7% más allá. ¡Pero eso es con Júpiter a la distancia orbital de Júpiter! Esta pregunta coloca a un planeta de masa de Júpiter en una distancia orbital similar a la Tierra, por lo que el baricentro estará muy lejos de la superficie de la estrella.

Esa estrella oscilará fuertemente. Si es visible desde la Tierra, sabremos sobre Waterworld.

[ACTUALIZACIÓN, 2017–11–30]

Algunas investigaciones interesantes han arrojado luz sobre cómo se comportan los líquidos supercomprimidos, que bien podrían tener relación con cómo podría ser una bola de agua del tamaño de Júpiter, a grandes profundidades.

Hmm

Sospecho que quedaría impresionado.

Sin una magnetosfera, el vapor de agua se disociaría en hidrógeno y oxígeno, eliminando el hidrógeno.

El resultado se reduciría gradualmente (perdiendo masa … y su gravedad), y luego se eliminaría el oxígeno.

En cuanto a si todo desaparece o si quedaría un núcleo de oxígeno, no estoy seguro. Creo que desaparecería, ya que el oxígeno se disociaría, y luego también se volaría.

Olvidé la escala de tiempo … durante varios miles de millones de años (y posiblemente más de dos o tres).