เหตุใดดาวเคราะห์ในระบบสุริยะจึงไปเป็นหินก๊าซน้ำแข็งแทนที่จะเป็นก๊าซน้ำแข็งเมื่อเคลื่อนตัวออกจากดวงอาทิตย์?
ดวงอาทิตย์และลมสุริยะดูเหมือนจะทำงานได้ดีในการแยกวัสดุที่มีน้ำหนักเบากว่าไปยังระบบสุริยะชั้นนอกและทิ้งวัสดุที่หนักกว่าไว้ในระบบสุริยะชั้นใน ดังนั้นเราจึงจบลงด้วยดาวเคราะห์หิน / โลหะในระบบสุริยะชั้นในและยักษ์ก๊าซและยักษ์น้ำแข็งในระบบสุริยะชั้นนอก แต่เหตุใดยักษ์ก๊าซ (ดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ประกอบด้วยไฮโดรเจนและฮีเลียมซึ่งเป็นวัสดุที่เบาที่สุด) อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากกว่ายักษ์น้ำแข็ง (ดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนประกอบด้วยน้ำแอมโมเนียมีเทน ฯลฯ )
คำตอบ
โหมโรง
ปัจจุบันเป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปในชุมชนการก่อตัวของดาวเคราะห์ว่าดาวเคราะห์รวมตัวกันเป็นผลผลิตด้านข้างของกระบวนการก่อตัวของดาวในสิ่งที่เรียกว่าแผ่นดาวเคราะห์นอกระบบ
แผ่นดิสก์ต้นแบบมีมวลเริ่มต้นเพียงไม่กี่ถึงสิบเปอร์เซ็นต์ของมวลโฮสต์ที่เป็นดาวฤกษ์ของพวกมันค่อนข้างเย็น (T <150K ในมวลประมาณ 95% หรือมากกว่าซึ่งอยู่นอกน้ำแข็งสำหรับโมเดล MMSN มาตรฐาน) และด้วยเหตุนี้ส่วนใหญ่ ตรวจพบในอินฟราเรด ส่วนประกอบอินฟราเรดที่แผ่ออกมาเป็นส่วนประกอบ 'ฝุ่น' (การตรวจจับและการยืนยันที่เผยแพร่ครั้งแรกผ่านดาวเทียม IRASในปี 2527-2528) คิดเป็นประมาณ 1% ของมวลส่วนอีก 99% เป็นก๊าซ H / He
แผ่นดิสก์เหล่านี้เป็นแผ่นเสริมแรงกล่าวคือทำให้โมเมนตัมเชิงมุมหลวมผ่านกระบวนการต่าง ๆ ซึ่งนำไปสู่การไหลของมวลเข้าไปในดาวฤกษ์ของพวกมัน ฝุ่นจะตกลงไปในมิดเพลน ในกรณีที่มีการสะสมตัวแบบปั่นป่วนฝุ่นและก๊าซจะผสมกันอย่างดีและสะสมเข้าสู่ดาวฤกษ์ได้ค่อนข้างสม่ำเสมอในขณะที่ในกรณีของการสะสมของแผ่นดิสก์ที่ขับเคลื่อนด้วยลม H / He ในชั้นบนของแผ่นดิสก์จะไหลผ่านมิดเพลนและ ให้อัตราการสะสม อัตราการเพิ่มขึ้นของดิสก์อาจมากเกินไปสำหรับสิ่งที่ดาวสามารถสะสมได้จริงและมวลส่วนเกินจะถูกขับออกมาในแนวตั้งในเครื่องบินไอพ่นที่สามารถมีได้ตลอดอายุการใช้งานของแผ่นดิสก์โดยทั่วไปอัตราการแยกมวลของพวกมันจะสอดคล้องกับ1-50%ของอัตราการสะสมของดิสก์
ฉันพูดถึงน้ำแข็งของน้ำเป็นเพียงจุดอ้างอิงเท่านั้นเนื่องจากผลกระทบที่แน่นอนต่อฟิสิกส์ของการก่อตัวของดาวเคราะห์นั้นเป็นที่ถกเถียงกันอย่างมากในขณะนี้ไม่สามารถสังเกตเห็นได้และไอซีไลน์ในโมเลกุลอื่น ๆ เช่น $\rm CO, CO_2, N_2,...$ อาจมีบทบาทด้วย
การก่อตัวของดาวเคราะห์
ระบบสุริยะของเรามีต้นกำเนิดมาจากจานดาวเคราะห์นอกระบบเหล่านั้น เราไม่สามารถติดตามกระบวนการก่อตัวได้ตลอดอายุการใช้งานของแผ่นดิสก์เนื่องจากจะใช้เวลาระหว่าง 1-20 Myears (ค่ามัธยฐาน3-5 Myrs ขึ้นอยู่กับการสำรวจ ) และด้วยเหตุนี้บ่อยครั้งในฟิสิกส์ดาราศาสตร์เราจึงอาศัยข้อมูลสแนปชอตและสถิติดาวเคราะห์นอกระบบเพื่อลองไขปริศนา ร่วมกันฟิสิกส์
50% ของระบบดาวเคราะห์นอกระบบทั้งหมดมีหินซุปเปอร์เอิร์ ธ ที่เป็นหินจำนวนมากที่รัศมีภายในจนถึงไอสลีนน้ำ 6-10% ของดาวทั้งหมดครอบครองดาวเคราะห์ยักษ์ก๊าซเย็น (ดาวเคราะห์ยักษ์ที่แกนกึ่งหลัก> 0.5 AU) และ 0.5-1% ครอบครองยักษ์ก๊าซร้อน (ดาวเคราะห์ยักษ์ที่แกนกึ่งหลัก <0.1 AU) ในขณะที่จากนี้ระบบสุริยะของเราดูเหมือนว่าจะมีมวลต่ำผิดปกติในเขตดาวเคราะห์โลก แต่ฟิสิกส์ดูเหมือนจะชอบสร้างดาวเคราะห์หินภายในไปยังไอสลีนน้ำ กระบวนการเหล่านี้จะต้องเกิดขึ้นในระยะของแผ่นดิสก์ต้นแบบและอาจเป็นไปได้ไม่นานหลังจากการกำจัดก๊าซ (<100Myrs ซึ่งมีข้อ จำกัด ไม่ดีว่าเศษของมวลสุดท้ายของโลกที่อยู่ในการกระจายของแผ่นดิสก์)
นอกจากนี้ยังมีความคิดว่าดาวเคราะห์หินก่อตัวอยู่เหนือน้ำแข็ง อย่างไรก็ตามในพื้นที่เหล่านั้นของแผ่นดาวเคราะห์นอกระบบอ่างเก็บน้ำมวลมีขนาดมหึมาและดาวเคราะห์หินสามารถทำให้เกิดการสะสมของก๊าซที่ไม่สามารถหลบหนีได้ก่อนที่แผ่นดิสก์หลักของพวกเขาจะสลายไป การเข้าถึงการสะสมของก๊าซที่หลบหนีประกอบด้วยสองขั้นตอน: ขั้นแรกหลังจากที่ดาวเคราะห์หินที่มีมวลหลายโลกก่อตัวขึ้นแล้วจะได้รับบรรยากาศที่เชื่อมต่อกับแผ่นดิสก์โดยใช้ความโน้มถ่วงของตัวเอง บรรยากาศนี้เย็นลงอย่างช้าๆผ่านการทำความเย็นของเคลวิน - เฮล์มโฮลทซ์ การหดตัวช่วยให้มวลไหลเข้าสู่โดเมนของดาวเคราะห์มากขึ้นจนกลายเป็นชั้นบรรยากาศขนาดใหญ่ หากบรรยากาศนี้มีมวลที่มีความสำคัญเพียงพอสำหรับแรงโน้มถ่วงในตัวเองเพื่อช่วยให้การหดตัวไกลขึ้นดาวเคราะห์ก็จะยิ่งเพิ่มมากขึ้นยิ่งอากาศเย็นลงและยิ่งเย็นลงก็ยิ่งเพิ่มมากขึ้นเท่านั้นดังนั้นจึงมีการเพิ่มขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
สถาปัตยกรรมของระบบสุริยะ
ทั้งหมดนี้เราสามารถกำหนดคำอธิบายมาตรฐานสำหรับสถาปัตยกรรมของระบบสุริยะ:
ดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์เป็นยักษ์ก๊าซเย็นมาตรฐานที่ผ่านขั้นตอนของการประกอบแกนกลางอย่างรวดเร็วและการสะสมของก๊าซที่ไม่สามารถหลบหนีได้ในเวลาต่อมา ดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนเติบโตไกลออกไปในบริเวณที่มีความหนาแน่นของก๊าซดิสก์ต่ำ (หรือมีฝุ่นละอองขนาดเล็กทำให้การประกอบแกนกลางและเวลาในการทำความเย็นเพิ่มขึ้น) และด้วยเหตุนี้จึงติดอยู่ในขั้นตอนการสะสมของก๊าซไฮโดรสแตติกจนกระทั่งแผ่นดิสก์กระจายตัว "น้ำแข็ง" ในยักษ์น้ำแข็งจึงหมายถึงส่วนประกอบที่เป็นของแข็งซึ่งคิดเป็น 60-80% ของมวลของพวกมันและไม่ใช่ว่าพวกมันจะพลาดการสะสมของผู้หลบหนีซึ่งจะทำให้ได้ชื่อที่ชัดเจนขึ้น
คำถามอื่น ๆ คือทำไมดาวเคราะห์ที่มีรัศมีขนาดเล็กจึงดูเหมือนจะหลีกเลี่ยงการสะสมของก๊าซที่ไม่สามารถหลบหนีได้ในระบบสุริยะของเราและอย่างน้อย 50% ของระบบดาวเคราะห์นอกระบบ กลไกของผู้สมัครคือ " การรีไซเคิลก๊าซ " นั่นคือการเติมเต็มเอนโทรปีไปยังชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบซึ่งป้องกันการหดตัว สิ่งนี้เป็นไปได้ใกล้กับดาวเพราะก๊าซมีความหนาแน่นมากแทนที่การระบายความร้อนด้วยการดูดซับเป็นกลไกการขนส่งเอนโทรปีที่โดดเด่น
สรุป
สโตรกแบบกว้าง ๆ ของสถาปัตยกรรมระบบสุริยะสามารถเข้าใจได้ในแง่ของกลไกทางกายภาพซึ่งแสดงให้เห็นว่าทำงานในการจำลอง อย่างไรก็ตามเมื่อใช้กลไกเดียวกันนี้เพื่อสร้างประชากรสังเคราะห์ของดาวเคราะห์ประชากรสังเคราะห์เหล่านั้นมักจะไม่สอดคล้องกับที่สังเกตได้ นี่กำลังดำเนินการอยู่และต้องการภารกิจในอนาคตสำหรับยักษ์น้ำแข็งเพื่อวัดความอุดมสมบูรณ์ของธาตุหนักโดยละเอียดและใช้ฉากหลังเพื่อแยกแยะระหว่างสถานการณ์การก่อตัวที่แข่งขันกันซึ่งฉันได้นำเสนอเพียงอย่างเดียว
ฟิสิกส์ที่นำเสนอในที่นี้จึงแตกต่างอย่างมากจากภาพ 'องค์ประกอบหนักที่จมอยู่ในลมสุริยะ' ซึ่งในระดับความรู้ของฉันไม่เคยถูกพิจารณาว่าเป็นตัวเลือกสำหรับแบบจำลองการก่อตัวของดาวเคราะห์ ลาปลาซในศตวรรษที่ 18 ถือว่าเป็นรูปแบบที่คล้ายกันของคุณคือบรรยากาศสุริยะที่ขยายออกไปซึ่งแบ่งออกเป็นวงแหวนโดยหมุนเหวี่ยงเพื่อสร้างดาวเคราะห์ ด้วยการโหมโรงของฉันข้างต้นตอนนี้แบบจำลองนี้เป็นที่ทราบกันดีว่าไม่ถูกต้อง