Warum haben alle Planeten und Sterne in unserem Sonnensystem eine so ähnliche durchschnittliche Dichte?

Ich glaube nicht, dass es einen grundlegenden Grund gibt, der über die Physik ihrer Entstehung und die Physik, die sie unterstützt, hinausgeht.

Riesenplaneten bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. Sie bestehen nicht aus schwereren Elementen, weil es in einer protoplanetaren Scheibe nicht genug davon gibt. Kleine Planeten bestehen aus schwereren, weniger flüchtigen Elementen, die näher an ihren Sternen kondensiert sind. Sie sind zu heiß und ihre Schwerkraft zu gering, um Wasserstoff und Helium zurückzuhalten.

Angesichts dessen könnten wir erwarten, dass die Planeten zwei verschiedenen Massenradiusbahnen folgen. Die kleineren Planeten haben im Grunde die Dichte, aus der sie bestehen, mit nur einer geringen Kompression, die von ihrer Masse abhängt. Die Gasriesen unterliegen einer elektronenentarteten Zustandsgleichung, die sich a annähert$n=1.5$Polytrop. Im relativ niedrigen Dichteregime (im Vergleich zu einem Weißen Zwerg) ergibt sich daraus ein nahezu masseunabhängiger Radius und damit eine linear mit der Masse wachsende Dichte.

Die beiden Regime sind deutlich in einem Massenabhängigkeitsdiagramm für Exoplaneten zu sehen.

Wie Sie sehen können, sind einige Exoplaneten viel dichter und die Gesamtverteilung der Dichte beträgt mehr als zwei Größenordnungen. Der Grund, warum die Planeten im Sonnensystem ähnliche Dichten haben, ist also, dass (a) Felsen ähnliche Dichten haben und felsige Planeten im Allgemeinen nicht massiv genug sind, um sie viel weiter zu komprimieren, und (b) die Gasriesen im Sonnensystem nicht sehr massiv sind und das massearme Ende von Gasriesen , die sich bilden können, haben eine durchschnittliche Dichte ähnlich der von Gesteinen.

Es gibt weitere Diskussionen darüber, warum (a) und (b) wahr sind, die ich ergänzen kann.

Angesichts dieser Tabelle scheinen die wichtigsten Faktoren, die die Dichte der elementaren Materie (in den Elementen organisierte Materie) beeinflussen, zu sein

1) ob die Materie gasförmig ist oder nicht, was ein Faktor von etwa 50 zu sein scheint.

2) die durchschnittliche Anzahl von Nukleonen in einem Molekül des Gases (Faktor etwa 100) oder Nichtgases (Faktor etwa 50)

Es wird daher vermutet, dass die Entstehung des Sonnensystems und der Planeten entweder mit einer relativ zufälligen Verteilung dieser Faktoren erfolgte; und sogar einige Effekte, durch die sie kompensatorisch wirken (wie unten beschrieben).

In Bezug auf die Zusammensetzung sind Wasserstoff und Helium die am häufigsten vorkommenden Elemente im Sonnensystem, die 98 Massenprozent ausmachen. Aufgrund der Bildung von Elementen im frühen Universum befinden sich die am häufigsten vorkommenden Elemente alle im Atommassenbereich 1 bis 28 (und die geradzahligen sind häufiger) (wie hier gezeigt ). Eine zusammensetzungsbedingte Dichtevariation über 30 wäre also bemerkenswert unvereinbar mit unserer Theorie der Entstehung des Universums.

Leichtere Elemente benötigen ein stärkeres Gravitationsfeld, um zurückgehalten zu werden, daher können sie nur von größeren Planeten zurückgehalten werden. [Das ist zum Beispiel ein Grund, warum wir bei der Verwendung von Helium auf der Erde vorsichtig sein müssen, da es inert ist, nicht in Verbindungen zurückgehalten wird und, wenn es freigesetzt wird, an die Spitze der Atmosphäre wandert, wo es vom Sonnenwind weggeblasen wird.]

Folglich sind es kleinere Planeten, die tendenziell hauptsächlich schwerere Elemente/Moleküle enthalten und dichter sind. Venus ist interessant, weil sie ein kleiner innerer Planet ist, aber eine Atmosphäre hat. Seine restliche Atmosphäre ist hauptsächlich$C0_2$, das eine hochmolekulare Atommasse von 44 hat und ungefähr 100-mal massiver und dichter ist als die Erde.

Ebenso wie große Planeten in größeren Sonnenumlaufbahnen, die leichtere Elemente enthalten, haben sie ein Inneres, das unter immensem Druck steht; hoch genug, um einige leichte Gase zu verflüssigen. Zum Beispiel soll Jupiter eine Schicht aus flüssigem metallischem Wasserstoff enthalten, die sich über vielleicht 78% des Radius erstreckt. Flüssiger Wasserstoff ist fast 800-mal dichter als das Gas (70,85 g/L im Vergleich zu 0,08988 g/L). Zum Vergleich: Das schwerste Element, Eisen, hat eine Dichte von etwa 7800 g/L (normalerweise angegeben als$7.8g/cm^3$), also bewegt uns diese Überlegung in die richtige Richtung, aber wahrscheinlich sind auch andere Effekte beteiligt. Hinweis: Eisen ist auch das am häufigsten vorkommende Element auf der Erde und macht etwa 38 % seiner Masse aus.

Zusammenfassung

Ein Effekt ist, dass, wenn der Körper massiv genug ist, um Moleküle der leichten Elemente zurückzuhalten, er wahrscheinlich sehr groß ist, da leichte Elemente am häufigsten vorkommen. Folglich ist es wahrscheinlich, dass der Innendruck einen erheblichen Teil dieser Moleküle verflüssigt und die Gesamtdichte wieder näher an die von kleineren "felsigen" Planeten bringt, die nur Feststoffe (und möglicherweise sehr schwere Molekülgase) zurückgehalten haben.