Mengapa planet tata surya berubah menjadi batuan-gas-es daripada batuan-es-gas saat menjauh dari matahari?

Jan 03 2021

Matahari dan angin matahari tampaknya melakukan pekerjaan yang baik dalam memecah bahan-bahan yang lebih ringan ke tata surya bagian luar dan menyisakan bahan-bahan yang lebih berat di tata surya bagian dalam. Jadi kita berakhir dengan planet berbatu / logam di tata surya bagian dalam dan raksasa gas dan raksasa es di tata surya bagian luar. Tetapi mengapa raksasa gas (Jupiter dan Saturnus yang sebagian besar terdiri dari Hidrogen dan Helium - bahan paling ringan) lebih dekat ke matahari daripada raksasa es (Uranus dan Neptunus terdiri dari air, amonia, metana, dll.)?

Jawaban

7 AtmosphericPrisonEscape Jan 05 2021 at 07:03

Pendahuluan

Sekarang secara umum diterima dalam komunitas pembentukan planet bahwa planet terbentuk sebagai produk samping dari proses pembentukan bintang dalam apa yang disebut cakram protoplanet.
Cakram protoplanet memiliki massa awal beberapa hingga puluhan persen dari massa inang bintangnya, relatif dingin (T <150K di sekitar 95% atau lebih massa mereka, yang berada di luar garis es air untuk model MMSN standar) dan karenanya sebagian besar terdeteksi di inframerah. Komponen inframerah yang memancar adalah komponen 'berdebu' (deteksi dan konfirmasi yang dipublikasikan pertama kali melalui satelit IRAS pada tahun 1984-1985) yang membentuk sekitar 1% massa, 99% lainnya adalah gas H / He.

Cakram tersebut merupakan cakram akresi, yaitu kehilangan momentum sudut melalui berbagai proses, yang menyebabkan massa masuk ke bintang induknya. Debu mengendap di bidang tengah. Untuk kasus pertambahan turbulen, debu dan gas akan tercampur dengan baik dan terakumulasi secara relatif seragam ke dalam bintang, sedangkan dalam kasus akresi yang digerakkan oleh cakram, H / He di lapisan atas cakram mengalir di atas bidang tengah dan memberikan tingkat pertambahan. Laju pertambahan cakram bisa jadi terlalu banyak untuk apa yang sebenarnya bisa dihasilkan bintang dan massa berlebih dikeluarkan secara vertikal dalam semburan yang bisa ada selama masa pakai cakram, laju dekresi massanya biasanya sesuai dengan 1-50% dari laju pertambahan cakram.
Saya menyebutkan garis es air hanya sebagai titik acuan, karena efek pastinya pada fisika pembentukan planet masih diperdebatkan, saat ini tidak dapat diamati, dan garis es di beberapa molekul lain seperti $\rm CO, CO_2, N_2,...$ bisa memainkan peran juga.

Pembentukan planet

Tata surya kita kemungkinan besar berasal dari salah satu cakram protoplanet tersebut. Kami tidak dapat mengikuti proses pembentukan selama masa pakai disk, karena ini membutuhkan waktu antara 1-20 menit (nilai median 3-5 Myrs, tergantung pada survei ) dan karenanya sering kali dalam astrofisika, kami mengandalkan snapshot dan statistik planet ekstrasurya untuk mencoba dan memecahkan teka-teki. bersama fisika.

50% dari semua sistem planet ekstrasurya memiliki beberapa super-bumi berbatu di bagian dalam radius ke garis es air. 6-10% dari semua bintang memiliki planet raksasa gas dingin (planet raksasa pada sumbu semi-mayor> 0,5 AU) dan 0,5-1% memiliki raksasa gas panas (planet raksasa pada sumbu semi-mayor <0,1 AU). Meskipun dari sini tata surya kita tampaknya memiliki massa yang sangat rendah di zona planet terestrial, namun fisika tampaknya lebih memilih untuk membangun interior planet berbatu daripada garis air. Proses tersebut harus terjadi dalam fase cakram protoplanet dan mungkin segera setelah pelepasan gas (<100Myrs, tidak dibatasi dengan baik bagian mana dari massa akhirnya yang dimiliki Bumi pada saat penyebaran cakram).

Planet berbatu juga diperkirakan terbentuk di luar garis es air. Namun di daerah cakram protoplanet tersebut, reservoir massal sangat besar dan planet berbatu dapat mencapai akresi gas yang tak terkendali.sebelum cakram induknya bubar. Mencapai pertambahan gas pelarian terdiri dari dua langkah: Pertama, setelah batuan, planet bermassa banyak bumi terbentuk, ia memperoleh atmosfer yang secara hidrostatis terhubung ke cakram melalui gravitasinya sendiri. Atmosfer ini mendingin secara perlahan melalui pendinginan Kelvin-Helmholtz. Kontraksi memungkinkan lebih banyak massa mengalir ke domain planet, membentuk atmosfer masif. Jika atmosfer ini mencapai massa yang cukup penting bagi gravitasi diri untuk membantu kontraksi lebih lanjut, planet bertambah banyak, semakin dingin dan semakin dingin semakin bertambah, maka pertambahan pelarian tercapai.

Arsitektur tata surya

Dengan semua ini, kita dapat merumuskan penjelasan standar untuk arsitektur tata surya:

Jupiter dan Saturnus adalah raksasa gas dingin standar yang mengalami fase perakitan inti yang cepat dan selanjutnya terjadi pertambahan gas yang tak terkendali. Uranus dan Neptunus tumbuh jauh di daerah dengan kepadatan gas cakram rendah (atau populasi debu kecil, meningkatkan waktu perakitan inti dan pendinginan ) dan karenanya terjebak dalam fase pertambahan gas hidrostatis hingga cakram tersebut menyebar. Oleh karena itu, "es" di raksasa es mengacu pada komponen padat yang menyusun 60-80% massa mereka, dan bukan berarti mereka melewatkan pertambahan yang tak terkendali, yang akan membuat nama menjadi lebih jelas.

Sekarang pertanyaan lainnya adalah, mengapa planet dengan radius kecil tampaknya menghindari pertambahan gas yang tak terkendali, di tata surya kita dan setidaknya 50% dari sistem eksoplanet. Mekanisme kandidat adalah " daur ulang gas ", yaitu pengisian kembali entropi ke atmosfer protoplanet yang mencegah kontraksi mereka. Ini mungkin terjadi di dekat bintang karena gasnya sangat padat, menggantikan pendinginan dengan adveksi sebagai mekanisme transpor entropi yang dominan.

Meringkas

Garis besar arsitektur tata surya dapat dipahami dalam istilah mekanisme fisik yang telah terbukti berfungsi dalam simulasi. Namun, ketika menerapkan mekanisme yang sama untuk membentuk populasi sintetis planet, populasi sintetis tersebut biasanya tidak konsisten dengan populasi yang diamati. Ini sedang dalam proses dan membutuhkan misi masa depan ke raksasa es untuk mengukur detail kelimpahan elemen berat mereka dan menggunakan yang terakhir untuk membedakan antara skenario formasi yang bersaing, yang hanya saya tunjukkan satu.

Oleh karena itu, fisika yang disajikan di sini sangat berbeda dari gambaran sederhana tentang 'unsur-unsur berat yang tenggelam dalam angin matahari', yang sejauh pengetahuan saya, tidak pernah dianggap sebagai calon model pembentukan planet. Hanya Laplace di abad ke-18 yang dianggap model yang terdengar serupa milik Anda, dari atmosfer matahari yang diperpanjang yang secara sentrifugal pecah menjadi cincin untuk membentuk planet. Dengan pendahuluan saya seperti di atas, model ini sekarang diketahui tidak benar.