Därför är jorden överraskande det tätaste objektet i vårt solsystem

av alla planeter, dvärgplaneter, månar, asteroider och mer i solsystemet, bara ett objekt kan vara den tätaste. Du kanske tror, baserat på det faktum att gravitation är en skenande process som bara bygger på sig själv i större och större utsträckning, att de mest massiva föremålen av alla saker som Jupiter eller till och med solen skulle vara tätaste, men de är mindre än en fjärdedel jordens densitet.,

Du kan gå en annan väg, och tror att de världar som är gjorda av den största andelen av de tyngsta elementen skulle vara den tätaste också. Om så var fallet skulle kvicksilver vara den tätaste världen, och det är det inte. istället, av alla de stora föremål som är kända i solsystemet, är jorden den tätaste av alla. Här är den överraskande vetenskapen om varför.

densitet är en av de enklaste icke-grundläggande egenskaperna hos materia du kan tänka dig. Varje objekt som finns, från mikroskopiska till astronomiska, har en viss mängd energi-vid-vila inneboende till det: vad vi brukar kalla massa. Dessa objekt tar också upp en viss mängd utrymme i tre dimensioner: vad vi vet som volym. Densitet är bara förhållandet mellan dessa två egenskaper: massan av ett objekt dividerat med dess volym.

vårt solsystem själv bildades ca 4.,5 miljarder år sedan hur alla solsystem bildas: från ett moln av gas i en stjärnbildande region som kontrakterade och kollapsade under sin egen gravitation. Nyligen har vi, tack vare observatorier som ALMA (Atacama Large Millimetre/submillimetre Array), kunnat direkt avbilda och analysera de protoplanetära diskar som bildas runt dessa nyfödda stjärnor för första gången.

några av funktionerna i en bild som denna är slående. Du kan se en stor, utökad skiva runt en nybildande stjärna: materialet som ger upphov till planeter, månar, asteroider, ett yttre (Kuiperliknande) bälte etc. Du kan se luckor i disken: platser där massiva objekt som planeter redan bildas., Du kan se en färgkodad temperaturgradient, där de inre regionerna är varmare och de yttre regionerna är kallare.

men vad du inte visuellt kan se från en bild som denna är närvaron och överflöd av olika typer av material. Medan komplexa molekyler och till och med organiska föreningar finns i hela system som detta, finns det tre viktiga effekter som alla arbetar tillsammans för att bestämma vilka element som hamnar på vilka platser i solsystemet som resulterar.,

den första faktorn är gravitation, vilket alltid är en attraktiv kraft., I en skiva av materia som består av små partiklar, kommer de som är närmare det inre av skivan kretsar kring solsystemets centrum vid något högre hastigheter än de något längre ut, vilket orsakar kollisioner mellan partiklar som de passerar varandra i denna orbital dans.

där något större partiklar redan har bildats, eller där mindre partiklar klibbar ihop för att bilda större, blir gravitationskraften något större, eftersom en övertäckt region i huvudsak lockar mer och mer av den omgivande massan., Över tusentals miljoner till tiotals miljoner år, kommer detta att leda till skenande bildandet av planeter på vilka platser råkade samla mest massa på ett ställe den snabbaste.

den andra faktorn är temperaturen hos den centrala stjärnan när den utvecklas från dess födsel som en molekylär moln genom sin fas som en proto-stjärna till sitt långa liv som en fullfjädrad stjärna. I det inre området närmast stjärnan kan bara de tyngsta elementen av alla överleva, eftersom allt annat är för lätt att det sprängs sönder av den intensiva värmen och strålningen. De mest inre planeterna kommer att vara gjorda av metaller ensam.,

utanför det finns det en frostlinje (utan flyktiga ices-interiör till det men med flyktiga ices bortom det), där våra markplaneter alla bildades inuti frostlinjen. Medan dessa linjer är intressanta lär det oss också att det finns en gradient av material som bildas i solsystemet: de tyngsta elementen finns i den högsta andelen närmast den centrala stjärnan, medan de tyngre elementen är mindre rikliga längre bort.

och det tredje och sista elementet är att det finns en invecklad gravitationsdans som äger rum över tiden. Planeter migrerar. Stjärnor värmer upp, och ices blir avskalade där de var tillåtna en gång tidigare. Planeter som kan ha omloppsbana vår stjärna i tidigare skeden kan bli utkastade, skjutna i solen, eller utlöses i att kollidera med och/eller slå samman med andra världar.,

och om du kommer för nära stjärnan förankrar ditt solsystem, kan de yttre skikten av stjärnans atmosfär ge tillräckligt med friktion för att få din omloppsbana att destabilisera, spiral i den centrala stjärnan själv. Om vi tittar på vårt solsystem idag, 4,5 miljarder år efter det att det hela bildades, kan vi dra slutsatsen en massa saker om hur saker och ting måste ha varit i de tidiga stadierna. Vi kan sätta ihop en allmän bild av vad som hände för att skapa saker som de är idag.,

men allt vi har kvar är de överlevande., Vad vi ser följer ett allmänt mönster som är mycket förenligt med tanken att våra åtta planeter bildades i ungefär den ordning de är i dag: Mercury som den innersta världen, följt av Venus, Jorden, Mars, asteroidbältet, sedan de fyra gasjättarna var och en med sitt eget månsystem, Kuiperbältet och äntligen Oortmolnet.

om allt baserades enbart på de element som utgör dem, skulle kvicksilver vara den tätaste planeten. Kvicksilver har en högre andel element som är högre på periodiska systemet jämfört med någon annan känd värld i solsystemet., Även de asteroider som har fått sina flyktiga ices kokta av är inte lika täta som kvicksilver är baserat på enbart element. Venus är #2, jorden är # 3, följt av Mars, några asteroider, och sedan Jupiters innersta måne: Io.

men det är inte bara råvarukompositionen i en värld som bestämmer dess densitet. Det finns också frågan om gravitationskompression, vilket har en större effekt för världar ju större deras massor är. Detta är något vi har lärt oss mycket om genom att studera planeter bortom vårt eget solsystem, eftersom de har lärt oss vad de olika kategorierna av exoplanet är. Det har gjort det möjligt för oss att dra slutsatsen vilka fysiska processer som är på spel som leder till de världar vi observerar.,

om du är under omkring två jordmassor kommer du att bli en stenig, markbunden planet, med större massplaneter som upplever mer gravitationskompression. Ovanför det börjar du hänga på ett gasformigt kuvert av materia, vilket ”puffar” din värld ut och släpper sin densitet enormt när du går upp i Massa och förklarar varför Saturnus är den minst täta planeten. Över en annan tröskel tar gravitationskompressionen ledningen igen; Saturnus är 85% Jupiters fysiska storlek, men bara en tredjedel massan., Och bortom en annan tröskel antänds kärnfusion och omvandlar en blivande planet till en stjärna.

om vi hade en värld som Jupiter som var tillräckligt nära solen, skulle dess atmosfär avlägsnas och avslöja en kärna som säkert skulle vara tätare än någon av planeterna i vårt solsystem idag. De tätaste, tyngsta elementen sjunker alltid till kärnan under planetbildning, och gravitation komprimerar den kärnan för att vara ännu tätare än det skulle ha varit annars. Men vi har ingen sådan värld på vår bakgård.,

istället har vi bara en relativt tung stenig, markbunden planet: Jorden, den tyngsta världen i vårt solsystem utan ett stort gasformigt kuvert. På grund av kraften i sin egen gravitation komprimeras jorden med några procent över vad dess densitet skulle ha varit utan så mycket massa. Skillnaden är tillräckligt för att övervinna det faktum att den är gjord av lättare element totalt sett än kvicksilver är (någonstans mellan 2-5%) För att göra det ca 2% tätare än kvicksilver totalt.,

om elementen du gjordes av var det enda metriska som betydde densitet, skulle kvicksilver utan tvekan vara den tätaste planeten i solsystemet., Utan en lågdensitetshav eller atmosfär, och gjord av tyngre element på det periodiska bordet (i genomsnitt) än något annat föremål i vårt grannskap, skulle det ta kakan. Och ändå gnisslar jorden, nästan tre gånger så långt från solen, gjord av lättare material, och med en betydande atmosfär, framåt med en 2% större densitet.

förklaringen? Jorden har tillräckligt med massa att dess självkompression på grund av gravitation är signifikant: nästan lika signifikant som du kan få innan du börjar hänga på ett stort, flyktigt kuvert av gaser., Jorden ligger närmare den gränsen än något annat i vårt solsystem, och kombinationen av dess relativt täta sammansättning och dess enorma självgravitation, eftersom vi är 18 gånger så massiva som kvicksilver, placerar oss ensamma som det tätaste objektet i vårt solsystem.