Ist die Schwerkraft der Erdoberfläche von 1 g für Exoplaneten ungewöhnlich hoch?

Laut diesem Papier , Abb. 4, solide Planeten beliebiger Masse (bis zum 3.000-fachen der Erdmasse) wachsen nicht viel auf etwa das Drei- oder Vierfache des Erddurchmessers. Das liegt daran, dass innere Teile des Planeten durch den hohen Druck komprimiert werden. Planeten, die schwerer als das 3.000-fache der Erdmasse sind, befinden sich in der Übergangszone zu Sternen. Im Falle von Gesteinsplaneten würden sie zu substellaren Objekten werden, die in ihren physikalischen Eigenschaften ( Elektronenentartung im Kern) weißen oder schwarzen Zwergen ähneln und aufgrund des Mangels an leichten Elementen in ihrem Kern nicht in der Lage sind, eine Kernfusion zu starten.

Die Oberflächengravitation ist proportional zur mittleren Dichte$\rho$, und zum Radius$r$des Planeten:$g=\frac{4\pi}{3}G\rho r$, mit$G$die Gravitationskonstante.

Ein Planet mit ungefähr der Zusammensetzung der Erde und der 3.000-fachen Masse der Erde hätte etwa den 3-fachen Erdradius, daher das 27-fache Volumen und die 3000/27 = 111-fache Dichte. Sein Oberflächengewicht wäre somit 333 g. Das ist nahe an der oberen Grenze der Oberflächengravitation eines Planeten. Mit einem reinen Eisenplaneten könnten wir ein wenig darüber hinausgehen. Jede Oberflächengravitation unterhalb dieser Obergrenze ist für einen festen Planeten zumindest theoretisch möglich.

Laut Seite 1284 des Papiers :

Massive feste Exoplaneten mit Hunderten bis Tausenden von Erdmassen können sich möglicherweise um massereiche Sterne (B- und O-Sterne; 5-120 Sonnenmassen) bilden, wo die protoplanetare Scheibe genügend schwere Elemente enthalten würde.

Sterne vom Typ B und O sind selten (0,13 % der Hauptreihensterne) und kurzlebig (weniger als 100 Millionen Jahre; genauer gesagt weniger als$10^{10}\cdot 18^{-2.5}$Jahre, für Masse > 18 Sonnenmassen). Daher werden auch große feste Planeten der beschriebenen Art selten, wenn auch a priori nicht unmöglich sein.

Der Planet mit der höchsten bisher entdeckten geschätzten Oberflächengravitation (8. März 2014) ist CoRoT-Exo-3b (Fügen Sie der Exoplaneten-Tabelle die Spalte "Oberflächengravitation" hinzu und sortieren Sie nach dieser Spalte):

CoRoT-Exo-3b hat einen Radius von 1,01 ± 0,07 R_Jup und bewegt sich alle 4,26 Tage in einer synchronen Umlaufbahn um seine Primärbahn vom Typ F3. Seine Masse von 21,66 ± 1,0 M_Jup, eine Dichte von 26,4 ± 5,6 g cm-3 und eine Oberflächengravitation von logg = 4,72 unterscheiden ihn deutlich von der regulären nahen Planetenpopulation und machen ihn zum faszinierendsten substellaren Transitobjekt, das bisher entdeckt wurde.

Eine Oberflächengravitation von logg = 4,72 bedeutet, dass die Oberflächengravitation gleich ist$10^{4.72}\mbox{ cm}/\mbox{s}^2=52,480 \mbox{ cm}/\mbox{s}^2 = 53.5~g.$ Diese Forschung nutzte die Exoplanet Orbit Database und den Exoplanet Data Explorer auf exoplanets.org.

CoRoT-3b auf Wikipedia .

Die Oberflächengravitation ist eine Funktion von zwei Dingen:

1. Masse
2. Radius

Die Masse ist proportional zur dritten Potenz des Radius mal der mittleren Dichte. Die Schwerkraft ist proportional zum Quadrat des Radius. Wenn Sie also zwei Planeten mit der gleichen Dichte haben, hat der größere Planet die höhere Schwerkraft.

Aber die mittlere Dichte kann ein großer Faktor sein.

Erde:

• Mittlere Dichte 5,515 g/cm3
• Mittlerer Radius 6371,0 km

Venus:

• Mittlere Dichte 5,243 g/cm3
• Mittlerer Radius 6051,8 km

Jupiter:

• Mittlere Dichte 1,326 g/cm3
• Mittlerer Radius 69911±6 km

(Quelle: Wikipedia-Seiten für Erde , Venus und Jupiter )

Die Venus ist also sowohl etwas kleiner als auch etwas weniger dicht als die Erde, was ihr 90% der Erdanziehungskraft verleiht. Jupiter ist viel größer (mehr als 10-mal), aber viel weniger dicht (etwa ein Viertel), was ihm 10/4 oder etwa 250% der Erdanziehungskraft verleiht.

Mein Verständnis ist, dass die Erde ziemlich klein, aber ungewöhnlich dicht ist. Von Planeten, die wir mit der aktuellen Technologie erkennen können, würde ich erwarten, dass mehr von ihnen größer und/oder schwerer sind, da diese Eigenschaften es uns erleichtern würden, sie zu erkennen.

Von allen Planeten im Universum erwarte ich, dass wir eine Verteilung finden werden, die unserem eigenen Sonnensystem nicht allzu unähnlich ist, und dass die Erde gerade auf die obere Seite des Durchschnitts fallen wird.

Letztendlich wissen wir nicht genug über Exoplaneten, um sicher zu sein; Im Moment sind alle unsere Daten auf massereichere Planeten verzerrt, die mit Doppler-Wobbeln leichter zu erkennen sind, oder auf Planeten mit großem Durchmesser (mit ziemlicher Sicherheit Gasriesen), die leicht durch das Verdunkeln ihres Wirtssterns zu erkennen sind, wenn sie ihn relativ zu uns verdunkeln. Jeden Tag kommen mehr Daten herein, und so fantastisch Keplar auch war, ich denke, wir müssen zumindest darauf warten, dass James-Webb online ist, bevor wir wirklich harte Schlussfolgerungen aus den Daten ziehen.

Ohne die Daten können wir uns nur auf unsere Theorien zur Planetenentstehung verlassen, in denen wir ziemlich gut sind.
Die Erde ist wahrscheinlich dichter als ein durchschnittlicher Planet ihrer Größe, da sie früh in ihrer Entwicklung mit einem etwa marsgroßen Objekt (Spitzname Theia) kollidierte. Theias Kern wäre vom Erdkern absorbiert worden, aber die äußeren Schichten von beiden wurden abgestreift, wodurch ein Ring entstand, der sich mit unserem Mond verschmelzen würde. Dies würde die Erde mit einem Kern mit höherer Masse hinterlassen, als ein Planet, der sich in seiner Entfernung bildet, hätte.

Wir können dies in den Dichten der terrestrischen Planeten sehen;

--Objekt-------Dichte (g cm-3)-----Große Halbachse (AU)-

-------------Mittelwert----Unkomprimiertm-----------------------

-Quecksilber-----5,4---------5,3-------------0,39------------

-Venus-------5,2---------4,4-------------0,72------------

-Erde-------5.5----------4.4--------------1.0-------------

-Mars--------3.9----------3.8--------------1.5-------------

Kredit, Wikipedia

Planeten, die näher an ihrem Stern sind, werden aufgrund der Massendifferenzierung natürlicherweise eine höhere Dichte haben; dichteres Material, das sich im Kern eines Planeten oder im Zentrum einer Sonnenakkretionsscheibe absetzt.

Betrachtet man es aus der Perspektive der Bewohnbarkeit,
wissen wir, dass die Dichte positiv mit der Oberflächengravitation korreliert, also können wir erwarten, dass die Erde eine etwas höhere als die durchschnittliche Oberflächengravitation für einen Planeten in der bewohnbaren Zone um einen Stern in der Kategorie eins hätte Sonnenmasse.

Abgesehen davon haben die meisten Sterne keine einzige Sonnenmasse, die meisten Sterne im Universum sind rote Zwerge, die viel dunkler und heller als unsere Sonne sind und eine engere, schmalere bewohnbare Zone hätten. Ein bewohnbarer Planet um einen Roten Zwerg wäre wahrscheinlich kleiner und leichter, aber dichter, aufgrund seiner Akkretionswolke mit geringerer Masse bzw. der größeren Nähe zu seinem Stern.

Ich denke, wir könnten erwarten, dass die Mehrheit der Exoplaneten Planeten sind, die dem Merkur ähneln und rote Zwerge umkreisen.
Wenn dies der Fall ist, können wir erwarten, dass die Erde im Vergleich zu terrestrischen Planeten eine hohe Oberflächengravitation hat (obwohl es weitaus massivere terrestrische Planeten mit ähnlichem Durchmesser gibt) und eine ungefähr durchschnittliche Schwerkraft, wenn alle Planeten berücksichtigt werden.