Tại sao các hành tinh trong hệ mặt trời lại chuyển sang dạng đá-khí-băng thay vì đá-băng-khí khi di chuyển ra khỏi mặt trời?

Question

Mặt trời và gió mặt trời dường như làm tốt công việc phân tách các vật liệu nhẹ hơn cho hệ mặt trời bên ngoài và để lại các vật liệu nặng hơn trong hệ mặt trời bên trong. Vì vậy, chúng ta kết thúc với các hành tinh đá / kim loại trong hệ mặt trời bên trong và các hành tinh khí khổng lồ và băng khổng lồ trong hệ mặt trời bên ngoài. Nhưng tại sao những người khổng lồ khí (Sao Mộc và Sao Thổ bao gồm chủ yếu là Hydro và Heli - những vật liệu nhẹ nhất) lại gần mặt trời hơn những người khổng lồ băng (Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương bao gồm nước, amoniac, mêtan, v.v.)?

Answer 1

Khúc dạo đầu

Ngày nay, trong cộng đồng hình thành hành tinh thường được chấp nhận rằng các hành tinh hình thành như một sản phẩm phụ của quá trình hình thành sao trong cái gọi là đĩa tiền hành tinh.
Đĩa tiền hành tinh có khối lượng ban đầu từ vài đến hàng chục phần trăm khối lượng vật chủ sao của chúng, tương đối lạnh (T <150K trong khoảng 95% khối lượng trở lên, nằm ngoài sợi nước đối với mô hình MMSN tiêu chuẩn) và do đó hầu hết là phát hiện trong tia hồng ngoại. Thành phần tia hồng ngoại bức xạ là thành phần 'bụi' (được phát hiện và xác nhận lần đầu tiên qua vệ tinh IRAS vào năm 1984-1985), chiếm khoảng 1% khối lượng, 99% còn lại là khí H / He.

Những đĩa đó là đĩa bồi tụ, tức là chúng mất đi momen động lượng thông qua nhiều quá trình khác nhau, dẫn đến khối lượng xâm nhập vào ngôi sao chủ của chúng. Bụi lắng xuống giữa máy bay. Đối với trường hợp bồi tụ hỗn loạn, bụi và khí sẽ được trộn đều và tích tụ tương đối đồng đều vào ngôi sao, trong khi trong trường hợp bồi tụ theo hướng gió, H / He ở các lớp trên của đĩa chảy qua mặt phẳng và cung cấp tỷ lệ bồi tụ. Tốc độ bồi tụ đĩa có thể quá nhiều so với những gì mà ngôi sao thực sự có thể tích tụ và khối lượng dư thừa bị đẩy ra theo phương thẳng đứng trong các phản lực có thể tồn tại trong suốt thời gian tồn tại của đĩa, tốc độ giảm khối lượng của chúng thường tương ứng với 1-50% tốc độ bồi tụ đĩa.
Tôi đề cập đến sợi nước chỉ với tư cách là điểm tham khảo, vì ảnh hưởng chính xác của nó đối với vật lý hình thành hành tinh còn đang được tranh luận rất nhiều, hiện tại không thể quan sát được nó và sợi tơ trong một số phân tử khác như $\rm CO, CO_2, N_2,...$ cũng có thể đóng vai.

Sự hình thành hành tinh

Hệ mặt trời của chúng ta rất có thể bắt nguồn từ một trong những đĩa tiền hành tinh đó. Chúng tôi không thể theo dõi quá trình hình thành trong suốt thời gian tồn tại của đĩa, vì điều này mất từ ​​1-20 Myears (giá trị trung bình 3-5 Myrs, tùy thuộc vào cuộc khảo sát ) và do đó, thường xuyên trong vật lý thiên văn, chúng tôi dựa vào ảnh chụp nhanh và thống kê ngoại hành tinh để thử và giải đố cùng vật lý.

50% của tất cả các hệ ngoại hành tinh chứa một số siêu trái đất bằng đá ở bán kính bên trong đến sợi nước. 6-10% tất cả các ngôi sao sở hữu các hành tinh khổng lồ khí lạnh (hành tinh khổng lồ ở bán trục chính> 0,5 AU) và 0,5-1% sở hữu các hành tinh khổng lồ khí nóng (hành tinh khổng lồ ở bán trục chính <0,1 AU). Mặc dù hệ mặt trời của chúng ta dường như có khối lượng thấp bất thường trong khu vực hành tinh trên cạn, nhưng vật lý dường như thích xây dựng bên trong các hành tinh đá thành sợi nước hơn. Những quá trình đó phải xảy ra trong giai đoạn đĩa tiền hành tinh và có thể ngay sau khi loại bỏ khí (<100Myrs, nó bị hạn chế kém phần nào của khối lượng cuối cùng mà Trái đất sở hữu khi phân tán đĩa).

Các hành tinh đá cũng được cho là hình thành bên ngoài hệ thống sợi nước. Tuy nhiên, trong những vùng đó của đĩa tiền hành tinh, trữ lượng lớn là rất lớn và các hành tinh đá có thể đạt được sự tích tụ khí chạy trốn.trước khi đĩa mẹ của chúng phân tán. Tiếp cận quá trình bồi tụ khí bao gồm hai bước: Thứ nhất, sau khi hành tinh đá, nhiều khối lượng trái đất được hình thành, nó thu hút một bầu khí quyển liên kết thủy tĩnh với đĩa thông qua lực hấp dẫn của chính nó. Bầu khí quyển này nguội đi từ từ nhờ làm mát Kelvin-Helmholtz. Sự co lại cho phép nhiều khối lượng hơn chảy vào miền hành tinh, tạo thành một bầu khí quyển khổng lồ. Nếu bầu khí quyển này đạt đến một khối lượng đủ quan trọng để tự trọng lực giúp co lại thêm nữa, hành tinh tích tụ càng nhiều thì nó càng lạnh đi và nó càng nguội đi thì nó càng tích tụ nhiều hơn, do đó có thể đạt đến sự bồi tụ chạy trốn.

Kiến trúc của hệ mặt trời

Với tất cả những điều này, chúng ta có thể hình thành lời giải thích tiêu chuẩn cho kiến ​​trúc của hệ mặt trời:

Sao Mộc và Sao Thổ là những sao khổng lồ khí lạnh tiêu chuẩn trải qua giai đoạn tập hợp lõi nhanh chóng và tích tụ khí sau đó. Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương phát triển ra xa ở những vùng có mật độ khí đĩa thấp (hoặc quần thể bụi nhỏ, làm tăng thời gian lắp ráp và làm mát lõi ) và do đó bị mắc kẹt trong giai đoạn bồi tụ khí thủy tĩnh cho đến khi đĩa phân tán. "Băng" trong các khối khổng lồ băng do đó đề cập đến thành phần rắn chiếm 60-80% khối lượng của chúng, và không phải là chúng đã bỏ lỡ sự bồi tụ khi chạy trốn, điều này sẽ làm cho một cái tên rõ ràng hơn.

Bây giờ câu hỏi còn lại là, tại sao các hành tinh ở bán kính nhỏ dường như đã tránh được sự tích tụ khí chạy trốn, trong hệ mặt trời của chúng ta và ít nhất 50% các hệ ngoại hành tinh. Một cơ chế ứng cử viên là " tái chế khí ", tức là bổ sung entropy vào khí quyển tiền hành tinh ngăn cản sự co lại của chúng. Điều này có thể xảy ra gần với ngôi sao vì khí rất đặc, thay thế việc làm mát bằng đối lưu như cơ chế vận chuyển entropy chiếm ưu thế.

Tổng kết

Các nét chung của kiến ​​trúc hệ mặt trời có thể được hiểu theo các cơ chế vật lý đã được chứng minh là hoạt động trong mô phỏng. Tuy nhiên, khi áp dụng những cơ chế tương tự để hình thành các quần thể hành tinh tổng hợp, các quần thể tổng hợp đó thường không phù hợp với những gì đã quan sát được. Đây là công việc đang được tiến hành và cần các nhiệm vụ trong tương lai với những người khổng lồ băng để đo lường mức độ phong phú của nguyên tố nặng chi tiết của chúng và sử dụng cái sau để phân biệt giữa các kịch bản hình thành cạnh tranh, mà tôi đã trình bày đơn thuần là một.

Do đó, vật lý được trình bày ở đây rất khác với một bức tranh đơn giản 'các nguyên tố nặng chìm trong gió Mặt trời', mà theo hiểu biết của tôi, chưa bao giờ được coi là ứng cử viên cho mô hình hình thành hành tinh. Vào thế kỷ 18, Merely Laplace được coi là một mô hình âm thanh tương tự của bạn, về một bầu khí quyển mặt trời mở rộng vỡ ly tâm thành các vòng để hình thành các hành tinh. Với phần dạo đầu của tôi như trên, tuy nhiên mô hình này được biết là không chính xác.