Was hält einen Gasriesen davon ab, in sich zusammenzufallen?

Die Antwort von Pulsar ist in der Tat richtig, aber lassen Sie mich noch etwas erweitern.

Was passiert, wenn ein Gasriese schrumpft?

Eine einheitliche Masse hat ein Selbstgravitationspotential von$-\frac{3GM^2}{5R}$. Wenn wir seinen Radius verkleinern, verringert sich auch sein Potenzial und die Differenz wird in thermische Energie umgewandelt. Obwohl Gasriesen und Sterne keine Kugeln mit einheitlicher Masse sind, ist ihre Gravitationsbindungsenergie immer noch proportional zu$\frac{GM^2}{R}$, Wenn also der Radius abnimmt, wird Energie freigesetzt, die im Gegenzug die Temperatur erhöht.

Was passiert, wenn die Temperatur steigt?

Angenommen, das Gas auf diesen Planeten gehorcht dem idealen Gasgesetz

Was ist also das große Ganze?

Der Planet schrumpft ein wenig, die Potentialdifferenz wird zu thermischer Energie und seine Temperatur steigt. Der Temperaturanstieg führt zu einem Anstieg des Drucks und verhindert, dass der Planet weiter schrumpft (der Planet wird im hydrostatischen Gleichgewicht gehalten ). Der Planet verliert jedoch auch Energie durch EM-Strahlung, sodass er kontinuierlich schrumpft und strahlt. Der Vorgang wird als Kelvin-Helmholtz-Mechanismus bezeichnet .

Zum Beispiel schrumpft Jupiter ein kleines bisschen$2\,\text{cm}$jedes Jahr. Obwohl Sie vielleicht denken, dass dies wirklich nichts ist, entspricht die erzeugte Wärmemenge der gesamten Sonneneinstrahlung, die sie erhält.

Nachtrag (Nov. 2020)

Wie Rob Jeffries zu Recht betont hat, ist das, was letztendlich einen Gasriesen vor dem Kollaps auf unbestimmte Zeit bewahrt, der Elektronenentartungsdruck. Schließlich werden der Wasserstoff und andere Elemente im tiefen Inneren des Gasriesen aufgrund des hohen Drucks einen Phasenübergang in eine metallische Phase durchlaufen und nicht weiter komprimiert werden.

Jupiters Schwerkraft wird durch den thermischen Druck seiner Atmosphäre ausgeglichen: Jupiter befindet sich im hydrostatischen Gleichgewicht (oder Quasi-Gleichgewicht: er verliert langsam Wärme in Form von Strahlung).

Jupiter schrumpft immer noch (langsam), aber letztendlich wird sogar dies durch den Elektronenentartungsdruck gestoppt . Hier werden die freien Elektronen im Kern so dicht, dass sie aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips nicht (alle) niederenergetische Quantenzustände einnehmen können. Unter diesen Umständen gilt das ideale Gasgesetz nicht; stattdessen wird der Druck (aufgrund des von Null verschiedenen Impulses der Elektronen) nur von der Dichte des Gases und nicht von seiner Temperatur abhängig. Es gibt auch viele andere Komplikationen, die mit Coulomb-Wechselwirkungen in Wasserstoff/Helium-Mischungen bei hohen Dichten verbunden sind.

Obwohl der Planet also weiterhin seine Restwärme abstrahlt, führt diese Abkühlung nicht zu einer großen weiteren Schrumpfung, da sich der Innendruck nicht wesentlich ändert. Ohne den Entartungsdruck würde letztendlich ein Gasriese zusammenbrechen.

Derzeit befindet sich der Kern des Jupiters in einem teilweise entarteten Zustand mit dem Verhältnis von Fermi-Temperatur zu Temperatur$T_F/T \sim 10$(z. B. Guillot 2005 ), wodurch die Schrumpfungsrate begrenzt wird. Jüngere, heißere und größere Gasriesenplaneten werden der oben angegebenen idealen Gasbehandlung genauer folgen und schneller schrumpfen.