A ja mam takie pytanie - od czego zależy czy planeta jest skalista czy gazowa? Od rozmiaru? Chodzi mi zasadniczo o to, czy mogła by istnieć teoretycznie planeta skalista o rozmiarach Jowisza czy tam Saturna lub planeta gazowa rozmiarów Ziemi? Czy może rozmiar nie gra tutaj najmniejszej roli i jest to uwarunkowane całkowicie innymi czynnikami?
Dobra, w końcu mam czas, aby nieco przybliżyć ten temat :)
Myślę, że zadałeś bardzo ciekawe pytanie Lwie. Dlatego też wykorzystam tę sytuację aby troszeczkę bliżej opisać zagadnienie powstawania planet oraz tego czym jest ono uwarunkowane i od czego zależy. Dlatego mam nadzieję, że znajdziesz czas na przeczytanie całego tekstu.
Powstawanie planet, to długotrwały proces, uwarunkowany przez wiele czynników, czy tylko rozmiar? I czy w ogóle ma znaczenie? Trzeba opisać podstawowe czynniki, które swoje początki biorą od momentu Wielkiego Wybuchu. Aby dokładniej opisać te zjawiska, trzeba się cofnąć do momentu, w którym nasz Wszechświat się narodził, prześledzić i dowiedzieć się w jaki sposób powstały i powstają pierwiastki, opowiedzieć o dwóch z czterech podstawowych oddziaływań w kosmosie, czyli jądrowym i grawitacyjnym, aby zakończyć na narodzinach gwiazd... oraz ich śmierci, kiedy to koniec gwiazdy, daje początek nowym planetom.
1)
Pierwszy z czynników- Nukleosynteza Wielkiego WybuchuGdy nasz Wszechświat narodził się w ogniu Wielkiego Wybuchu, przechodził przez bardzo gwałtowne fazy rozwoju (cały czas rozszerzając się z prędkością światła oraz większą, w okresie inflacji, kiedy to Wszechświat w ciągu jednej bilionowej sekundy rozszerzył się o czynnik 10
50). W ciągu ułamków sekund Wszechświat zmieniał się przechodząc przez kolejne ery (fazy), jedną z tych ery była tzw. era radiacyjna, która miała miejsce na sekundę po Wielkim Wybuchu. W czasie trwania tej fazy około 3 minut po Wielkim Wybuchu, swobodne cząstki elementarne: protony i neutrony zaczęły zderzać się ze sobą, tworząc wolne jądra wodoru, deuteru oraz helu. Reakcja syntezy była możliwa dzięki olbrzymim temperaturom panującym w ówczesnym Wszechświecie, gdy ta jednak w ciągu 380 000 lat od Wybuchu spadła do około 3000-4000K (Kelwinów) możliwa była synteza jąder Wodoru, Helu, Deuteru, Trytu, Litu i Berylu (dwa ostatnie w śladowych ilościach) i tak powstały pierwsze atomy. (zwróćmy uwagę, że wszystkie składają się z pierwiastków wodoru, który jest podstawowym budulcem: wodór
1H, deuter
2H, tryt
3H, hel-3
3He, hel-4
4He itd. ) Pierwiastki oraz wolne cząsteczki nadal zderzały się ze sobą tworząc nowe, jednak na tym etapie powstały jedynie najlżejsze z pierwiastków, gdyż powstanie cięższych jąder atomowych nie było możliwe ze względu na niestabilność jąder o masie atomowej 5 oraz 8. W tym momencie dwoma najobfitszymi pierwiastkami wszechświata są wodór (ok. 75%) oraz hel (ok 25%) pozostałe pierwiastki stanowią mniej niż 1%. Tak przedstawia się nukleosynteza Wielkiego Wybuchu, która dała nam lekkie pierwiastki, które następnie.... posłużyły do stworzenia gwiazd.
2)
Gwiezdna Nukleosynteza, czyli o oddziaływaniu jądrowym oraz grawitacyjnym, narodziny i śmierć gwiazd. Wodór oraz hel dały początki pierwszym gwiazdom we Wszechświecie miliard lat po Wielkim Wybuchu. Temperatura Wszechświata to około 18 stopni. W tym momencie zaczynają rodzić się pierwsze gwiazdy. Proces ten zaczyna się w momencie, gdy kula gazowego wodoru staje się na tyle masywna, że pod wpływem grawitacji zaczyna się kurczyć (cały czas jeszcze przyciągając więcej cząstek wodoru). Obłok ten nazywamy
protogwiazdą. Stopniowemu zapadaniu się protogwiazdy, zaczyna towarzyszyć również ruch obrotowy (obłok zaczyna wirować), a coraz gęstsze jądro powoduje olbrzymi wzrost temperatury i gdy ta osiągnie 10 milionów stopni, zaczynają zachodzić reakcje syntezy wodoru w hel- gwiazda się zapala. Tak powstaje
gwiazda ciągu głównego i z reguły gwiazdy te żyją przez około 10 miliardów lat, chociaż nie jest to żadna twardą regułą, wszystko zależy od jej gęstości i masy. W trakcie spalania, zachodzą w niej reakcje jądrowe i na skutek spalania wodoru, wytwarza się hel, a gwiazda stopniowo przekształca jądro wodorowe, w helowe. Gdy gwiazda, po około 5 miliardach lat doszczętnie spali wodór zgromadzony w jądrze, zaczyna spalać hel. W tym okresie zaczyna się gwałtownie powiększać, przeistacza się w
Czerwonego Olbrzyma, gdy spali się również hel, wierzchnie warstwy gwiazdy "odrywają" się od niej pozostawiając niewielkie jądro, gwiazdę zwaną
Białym Karłem. Gwiazdy rozmiarów naszego Słońca, na tym etapie raczej zakończyłyby swoją historię, ale we Wszechświecie są jeszcze znacznie większe okazy... Gwiazdy od dziesięciu do czterdziestu razy większe od naszego Słońca są nieco inne, w ich jądrze synteza zachodzi o wiele szybciej i gwałtowniej, nie tylko wodoru i helu, ale także wszelkich innych lżejszych pierwiastków aż do żelaza (Fe o masie atomowej 26)
W ten właśnie sposób we Wszechświecie powstają pierwiastki cięższe, niż te które powstały w Wielkim Wybuchu, ponieważ temperatura, reakcje jądrowe oraz inne warunki nukleosyntezy gwiezdnej sprzyjają stabilnej syntezie pierwiastków o masie 5 i 8 aż do wspomnianego żelaza. Jednak to nie wszystko... ponieważ w momencie, gdy synteza dochodzi do żelaza, gwiazda nie jest w stanie pobierać więcej energii, przez co jej jądro wygasa. Wygaśnięcie jądra w tak masywnej gwieździe powoduje nagły kolaps, niesamowity wzrost ciśnienia (ciśnienie jest tak wysokie, że elektrony zostają "siłą" wciskane w jądra atomów), temperatura osiąga biliony stopni, a siła grawitacji ściśnięta w tak małej przestrzeni doprowadza do
wybuchu Supernowej. Wybuch Supernowej jest jednym z najpotężniejszych zjawisk zaobserwowanych we Wszechświecie, energię takiej eksplozji można porównywać tylko i wyłącznie z Wielkim Wybuchem.
Ciepło emitowane przez eksplozje ponownie inicjuje syntezę jądrową, która wytwarza wszelkie pierwiastki cięższe od żelaza, tym samym dopełniając nasz układ okresowy. Co więcej energia wybuchu rozsiewa wszystkie te pierwiastki po Wszechświecie.
3)
Powstawanie planetNa tym etapie, niejako cofamy się do gazowych obłoków występujących we Wszechświecie. Niektóre obłoki, tworzą wręcz całe mgławice gdzie rodzą się setki nowych gwiazd, ale skupmy się teraz na planetach, bogatsi o wiedzę z poprzednich punktów.
Otóż, obłoki wodoru ponownie tworzą Protogwiazdę, jednak obłoki te nie są już złożone tylko z wodoru... wybuchy supernowej roznoszą cały czas po Wszechświecie ciężkie pierwiastki takie jak żelazo, uran, pluton, ołów i wszystko pomiędzy nimi. Pierwiastki te mieszają się z pierwotnymi obłokami wodoru i helu (które nadal stanowią ~75 i 25%, a najczęstszą reakcją chemiczną w dalszym ciągu jest przemiana wodoru w hel.), do tego wszystkiego dochodzi również pył gwiezdny: skały oraz lód. Uzyskujemy więc znacznie bogatszą mieszaninę niż w przypadku pierwotnych gwiazd ciągu głównego, powstałych tuż po narodzinach Wszechświata. Gdy masa takiej chmury osiągnie i przekroczy masę krytyczną, ponownie zaczyna zapadać się pod wpływem siły grawitacji, znowu powstaje protogwiazda. Dookoła gwiazdy, z pozostałej chmury gazów i pyłu tworzy się
dysk protoplanetarny i to właśnie tam zaczynają rodzic się planety, z niewielkich resztek materii, która nie została pochłonięta przez młodą gwiazdę.
Co jednak decyduje o tym, że planeta będzie gazowa, czy skalista? Na pewno nie rozmiar planet, gdyż na tym etapie jeszcze ich nie ma. Decyduje o tym temperatura wokół gwiazdy. Za sprawą temperatury dysk protoplanetarny dookoła gwiazdy zaczyna układać się w odpowiedni sposób: Najbliżej gwiazdy nie ma nic, ponieważ pod wpływem wysokiej temperatury większość substancji paruje. Nieco dalej jest strefa skał, w której utrzymują się najcięższe pierwiastki metali oraz minerałów. Jest to możliwe, ponieważ w tej odległości temperatura jest na tyle niska, że metale oraz skały stają się stałe. W tym obsarze nie ma praktycznie gazów, gdyż te zostały pochłonięte przez gwiazdę.
Na obrzeżach dysku znajduje się linia lodu, gdzie woda oraz inne głównie lżejsze pierwiastki zamarzają i tworzą bryły lodu. Występują tutaj również śladowe ilości pierwiastków metali ciężkich oraz zamarznięte skały, ale przede wszystkim skupia się tutaj pozostały wodór oraz inne gazy, które nie zostały pochłonięte przez gwiazdę. Tutaj też jako pierwsze tworzą się planety. W skutek zderzania się niewielkich brył lodu oraz zamarzniętych skał (zjawisko zderzania nazywamy akrecją), tworzą się planetozymale. Są to niewielkie obiekty, które pod wpływem własnej masy zaczynają powoli dominować grawitacyjnie nad resztą pyłu. Planetozymale przyciągają do siebie coraz więcej materii, aż w końcu przekształcają się w
protoplanety, które zaczynają absorbować coraz więcej materii z dysku. Na obrzeżach dysku, w linii lodu, gdzie skupia się pozostały po narodzinach gwiazdy gaz, te protoplanety zaczynają pochłaniać również wodór i pozostałe gazy, dzięki temu w stosunkowo krótkim czasie osiągają ogromne rozmiary i masę, jednak kosztem gęstości, która w porównaniu do planet skalistych jest bardzo niewielka. Po upływie milionów, czasem kilku setek milionów lat, planety te zwane
gazowymi olbrzymami pochłaniają praktycznie cały gaz, który jednocześnie stanowi ponad 90% masy materii planetotwórczej, a ich rozrost się stabilizuje, przy tym zazwyczaj stabilizuje się lub dopiero zaczyna to robić orbita planety wokół gwiazdy. Planety skaliste rozwijają się zazwyczaj wolniej, i powstają one bliżej gwiazdy, gdzie obłoki gazu nie występowały, czyli w linii skał. Powstają one ponownie na skutek akrecji, wykorzystując do tego głównie materiał skalny oraz pozostałe ilości metali ciężkich. Nie pochłaniają one gazów, gdyż te w strefie skał praktycznie nie występowały, dlatego nie osiągają one takiej masy oraz rozmiarów, co gazowe olbrzymy. Ale dzięki temu gęstość planet skalistych jest znacznie większa.
4)
Podsumowanie i ciekawostki:Zbierając do kupy wszystko to co napisałem wyżej oraz zestawiając to z Twoimi pytaniami, wygląda to następująco:
-
"Od czego zależy czy planeta jest skalista czy gazowa? Od rozmiaru?" W zasadzie jest na odwrót, to rozmiar planety zależy od jej rodzaju.
-
"Czy może istnieć planeta skalista o rozmiarach Jowisza?" Nie, planeta skalista o rozmiarach Jowisza miałaby tak olbrzymią masę oraz co najważniejsze gęstość, że pod wpływem własnych sił grawitacyjnych prawdopodobnie stałaby się Czarną Dziurą. Poza tym jest to wielce nieprawdopodobne, ponieważ w dyskach protoplanetarnych raczej nie ma wystarczająco skał i pierwiastków ciężkich, by możliwe było uformowanie takiej planety. Ponad 90% masy dysku stanowią gazy.
-
"Czy mogłaby istnieć planeta gazowa rozmiarów Ziemi" Raczej nie. Przede wszystkim dlatego, że planeta gazowa działa trochę jak kula śnieżna, im większa się staje, tym więcej gazów pochłania, wiec taka planeta cały czas zwiększała by tempo pochłaniania gazów z otoczenia, a tym samym rozmiar i masę. Jeżeli zabrakłoby gazów w otoczeniu, nie jestem pewny czy siła grawitacji tej planety byłaby w stanie utrzymać gazowe warstwy zebrane przez krótką chwilę, prawdopodobnie utworzyłyby się dyski takie jak w przypadku Neptuna, ale tego nie jestem pewny, trzeba by zasięgnąć jakiejś rady. No i ostatnie oraz najważniejsze, planeta gazowa wielkości Ziemi, musiałby być w zasadzie znacznie mniejsza niż Ziemia, ponieważ planety gazowe posiadają bardzo niewielkie skaliste/ metaliczne/ lodowe/ płynne jądro, a coś takich rozmiarów z kolei nie byłoby w stanie pochłonąć takich ilości gazów.
- O czynnikach powstawania planet już pisałem. Gazowe Olbrzymy powstają dalej od gwiazdy matki, w chłodnych rejonach skupiając najpierw lodowo- skalne substancje, które tworzą jądro, a następnie jądro o odpowiedniej masie i sile grawitacji zaczyna pochłaniać gazy. Bliżej gwiazdy, gdzie jest większa temperatura, nie ma w zasadzie gazów, a temperatura sprzyja powstawaniu planet skalistych.
- To są ogólne zasady powstawania planet wokół gwiazd ciągu głównego, nie mniej zdarzają się zawsze pewne, nazwijmy to anomalię. Są układy gwiezdne, w których Gazowe Olbrzymy orbitują bardzo blisko wokół rodzimej gwiazdy. Średnicę tych orbit można porównać do orbity Merkurego, przez to planety te się zapalają i zaczyna się spalać wodór, z którego są głównie zbudowane. Taką klasę planet nazywa się Gorącymi Jowiszami. Jednak nie powstają one blisko gwiazdy, bo to jest niemożliwe. Zakłada się, że Gorące Jowisze powstają w strefie linii lodu, tak jak każdy gazowy olbrzym, ale na skutek oddziaływań grawitacyjnych z gwiazdą, innymi obiektami dysku oraz niestabilnej trajektorii, migrują w pobliże gwiazdy i dopiero tam ich orbita się stabilizuje.
- W innych układach gwiezdnych rzecz jasna występują skaliste planety, znacznie, znacznie większe od tych znanych nam z Układu Słonecznego. Największe zaobserwowane Superziemie, to planety węglowe rozmiarami niemalże przekraczającymi 10-krotność masy Ziemi.
- Mechanizm powstawania planet jest jednak nieco inny w pobliżu gwiazd innych, niż tych należących do ciągu głównego. Na przykład planety okrążające pulsary. Niestety byłoby to zbyt wiele, aby opisać w jednym poscie.