Gasmonde: Sind sie möglich?

Diese Seite legt dar, warum Planeten und Monde die Atmosphären haben, die sie haben.

http://abyss.uoregon.edu/~js/ast121/lectures/lec14.html

Die Kombination der Variablen Fluchtgeschwindigkeit (Masse, Planetenradius) und Oberflächentemperatur (Abstand von der Sonne plus Auswirkungen der Atmosphärenerwärmung) ergibt das folgende Diagramm. Für Schlüsselelemente werden Linien gezeichnet, um zu zeigen, wo das Element aus dem Planeten entweicht. Befindet sich ein Planet unterhalb dieser Linie, entweicht dieses Element.

Alle Planeten beginnen mit allen Gasen. Größerer Planet = höhere Fluchtgeschwindigkeit, damit sie mehr Gase zurückhalten. Kleineres Gasmolekül = höhere Geschwindigkeit und diese Moleküle entweichen leichter. Heißer = höhere Geschwindigkeit und heiße Moleküle entweichen leichter.

Erde und Venus haben fast die gleiche Größe (und damit die gleiche Fluchtgeschwindigkeit), aber weil die Venus heißer ist, bewegten sich die Wassermoleküle schnell genug, um der Venus zu entkommen, und die Venus verlor ihr Wasser. Triton ist viel kleiner als die Erde, aber auch viel kälter, sodass die kalten Wassermoleküle nicht entweichen konnten. Triton behielt sein Wasser.

Die Sache mit Wasserstoff und Helium ist, dass sie sich so schnell bewegen, dass man massiv sein muss, um an ihnen festzuhalten. Oder extrem kalt. Bei einem Planeten mit Erdmasse würde die Temperatur von Triton über den Linien für Wasserstoff und Helium liegen und somit beide halten.

Die kleinsten bekannten Monde im Sonnensystem sind im Vergleich zu ihren Planeten sehr winzig.

Beispielsweise könnte ein Mond mit einem Durchmesser von einem Kilometer einen Gasriesen umkreisen, dessen felsiger Kern - die dicken Schichten der Atmosphäre nicht mitgerechnet - einen Durchmesser von 10.000 Kilometern hat und damit ein Volumen und eine Masse hat, die 1.000.000.000.000-mal so groß sind wie der Mond.

Sortiert man diese Liste nach Radius, so haben sieben Jupitermonde Radien von etwa 0,5 Kilometer und damit Durchmesser von etwa 1 Kilometer, und zwei Saturnmonde haben Radien von etwa 0,15 und 0,33 Kilometer und damit Durchmesser von etwa 0,30 und 0,66 Kilometer.

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_natural_satellites[1]

Derzeit sind 202 Satelliten der vier Riesenplaneten bekannt.

Einige von ihnen sollten weniger als ein Billionstel der Masse der felsigen Kerne der Planeten haben, die sie umkreisen, ganz zu schweigen von der Gesamtmasse ihrer Planeten.

Jupiter hat eine Masse von 318 Erden, Saturn hat eine Masse von 95 Erden, Uranus hat eine Masse von 14,5 Erden und Neptun hat eine Masse von 17 Erden. Die ungefähre untere Massengrenze für einen Braunen Zwerg beträgt etwa die 13-fache Masse des Jupiters und damit etwa die 4.134-fache Masse der Erde. Aber das ist eine sehr grobe Annäherung.

Ganymed, der massereichste Mond des Jupiters, hat eine Masse von 0,0248 der Erde, 0,0000779 der des Jupiters; Titan, der massereichste Saturnmond, hat eine Masse von 0,0225 der Erde, 0,0002368 der des Saturns; Titania, der massereichste Mond von Uranus, hat eine Masse von 0,00059 der Erde, 0,0000406 der von Uranus; und Triton, der massereichste Mond von Neptun, hat eine Masse von 0,003599 der Erde, 0,0002177 die von Neptun.

Planetenastronomen trennen terrestrische Planeten von Gasplaneten nach Radius und nicht nach Masse, sodass ein Planet mit derselben Masse entweder ein terrestrischer Planet oder ein Gasplanet sein könnte, je nachdem, wie viel Atmosphäre er hat.

Ein Gaszwerg ist ein Gasplanet mit einem felsigen Kern, der eine dicke Hülle aus Wasserstoff, Helium und anderen flüchtigen Stoffen angesammelt hat, mit einem Gesamtradius zwischen 1,7 und 3,9 Erdradien (1,7–3,9 R⊕). Der Begriff wird in einem dreistufigen, auf der Metallizität basierenden Klassifizierungssystem für kurzperiodische Exoplaneten verwendet, das auch die felsigen, erdähnlichen Planeten mit weniger als 1,7 R⊕ und Planeten mit mehr als 3,9 R⊕ umfasst, nämlich Eisriesen und Gas Riesen. 2

Theoretische Studien solcher Planeten basieren lose auf dem Wissen über Uranus und Neptun. Ohne eine dichte Atmosphäre würde es stattdessen als Ozeanplanet klassifiziert werden. 3 Eine geschätzte Trennlinie zwischen einem Gesteinsplaneten und einem Gasplaneten liegt bei etwa 1,6-2,0 Erdradien.[4][5] Planeten mit größeren Radien und gemessenen Massen sind meist von geringer Dichte und benötigen eine ausgedehnte Atmosphäre, um gleichzeitig ihre Massen und Radien zu erklären, und Beobachtungen zeigen, dass Planeten größer als etwa 1,6 Erdradius (und massereicher als etwa 6 Erdmassen) enthalten erhebliche Mengen an flüchtigen Stoffen oder H-He-Gas, die wahrscheinlich während der Formation erworben wurden. 6Solche Planeten scheinen eine Vielfalt von Zusammensetzungen zu haben, die nicht gut durch eine einzige Masse-Radius-Beziehung erklärt werden kann, wie sie für dichtere, felsige Planeten gefunden wird. Ähnliche Ergebnisse werden durch andere Studien bestätigt.[10][11][12] Was die Masse betrifft, so kann die untere Grenze je nach Zusammensetzung für verschiedene Planeten stark variieren; die Teilungsmasse kann von nur einem bis zu 20 M⊕ variieren.

https://en.wikipedia.org/wiki/Mini-Neptun[2]

Es scheint, dass die masseärmsten Gaszwergplaneten möglicherweise ähnliche Massen wie die Erde haben könnten.

Wenn also ein gasförmiger Mond die Masse eines Gaszwergplaneten ausreichen würde, ist es möglich, dass ein Mond, der nur so massereich wie die Erde ist, möglicherweise manchmal gasförmig ist.

Wenn die Grenze zwischen einem Gasriesenplaneten und einem Braunen Zwerg etwa 13 Jupitermassen oder etwa 4.134 Erdmassen beträgt, wenn ein Gasplanet am Rand mit etwa 4.134 Erdmassen den massereichsten Mond mit dem Uranus-Titania-Massenverhältnis hätte, hätte dieser Mond eine Masse 0,167 Erdmasse.

Wenn ein Gasplanet mit einer Masse von 4.134 Erdmassen einen größten Mond mit dem Massenverhältnis Jupiter-Ganymed hat, hätte dieser Mond eine Masse von 0,322 Erdmassen.

Wenn ein Gasplanet mit einer Masse von 4.134 Erdmassen einen größten Mond mit dem Massenverhältnis Neptun-Triton hat, hätte dieser Mond eine Masse von 0,8999 Erdmassen.

Wenn ein Gasplanet mit einer Masse von 4.134 Erdmassen einen größten Mond mit dem Massenverhältnis Saturn-Titan hätte, hätte dieser eine Masse von 0,978 Erdmassen.

Nach den Beispielen in unserem Sonnensystem sollte es möglich sein, dass einige der massereichsten Riesenplaneten an der Grenze zu Braunen Zwergen Monde haben, die so massereich sind wie der Planet Erde, und es ist möglich, dass Objekte nicht massereicher sind als Die Erde wird manchmal zu Gaszwergen.

Aber betrachten Sie das Beispiel der Erde und des Mondes. Der Mond hat eine Masse von 0,0123 Erdmasse. Wenn ein Riesenplanet an der Grenze zu Braunen Zwergen mit einer Masse von 4.134 Erden einen Mond mit diesem Massenverhältnis hätte, hätte dieser Mond eine Masse von 50.848 Erden.

Natürlich wird angenommen, dass der Mond aus einem Trümmerring entstand, nachdem ein anderer Planet mit der Erde kollidierte, und ein solcher Ursprung für einen Mond eines Riesenplaneten könnte diesen Mond ohne jegliches Gas hinterlassen.

Pluto hat eine Masse von 0,0022 Erde und sein größter Mond Charon hat eine Masse von 0,00025 Erde, ein Massenverhältnis von etwa 0,1136. Wenn ein Riesenplanet an der Grenze zu Braunen Zwergen mit einer Masse von 4.134 Erden einen Mond mit diesem Massenverhältnis hätte, hätte dieser Mond eine Masse von 469.772 Erden.

Natürlich wird auch angenommen, dass Pluto und Charon durch einen Einschlag entstanden sind.

Gegenwärtig befinden sich Exmonde nahe der Nachweisbarkeitsgrenze und es wurden keine vorgeschlagenen Exomonde bestätigt.

Die meisten der bisherigen Exomond-Kandidaten sind wahrscheinlich massiver als die Erde und könnten daher möglicherweise als Supererden, Gaszwerge, Eisriesen oder Gasriesen gelten.

https://en.wikipedia.org/wiki/Exomoon#List[3]

Und wenn es jemals bestätigte Monde mit Erdmasse oder größere umlaufende Objekte gibt, die als Planeten anstelle von Braunen Zwergen bestätigt werden, werden die Massenverhältnisse von Planet zu Mond in unserem Sonnensystem als mittlere Werte anstatt als extreme Werte gezeigt.

Ich stelle fest, dass Titan, der größte Saturnmond, eine Masse von 0,0225 Erdmassen hat, zwischen Kallisto und Ganymed, den größten Jupitermonden, mit Massen von 0,018 bzw. 0,248 Erdmassen.

Ihre Fluchtgeschwindigkeiten sind Callisto 2,440 Kilometer pro Sekunde, Titan 2,639 Kilometer pro Sekunde und Ganymed 2,741 Kilometer pro Sekunde.

Da Titan weiter von der Sonne entfernt und kälter ist, sollte es eine etwas bessere Fähigkeit haben, eine Atmosphäre zu bewahren, als Kallisto und Ganymed es tun.

Aber die Atmosphäre von Titan ist buchstäblich milliardenmal so dicht und hat buchstäblich milliardenmal so viel Masse wie die Atmosphären von Callisto und Ganymed. Und die Gründe für diesen Unterschied sind meines Wissens nicht bekannt.

Wenn also zwei Exomonde mit identischer Masse riesige Exoplaneten umkreisen und die gleiche Menge an Strahlung von ihren Sternen erhalten, könnte einer ein im Grunde luftleeres Gestein sein und ein anderer eine Atmosphäre haben, die um ein Vielfaches so dicht ist wie die der Erde und vielleicht als Gaszwerg gelten, je nachdem verschiedene Faktoren.