Was ist die größtmögliche Masse für einen stabilen Planeten aus Eisen?

Stellen Sie sich einen großen kugelförmigen Planeten vor, der aus reinem Eisen besteht . Denken Sie an etwas Ähnliches wie Merkur oder die Erde ohne ihren Mantel, nur viel größer, obwohl diese Planeten andere Elemente als Eisen in ihrem Kern enthalten.

Was ist die höchstmögliche Masse, die ein solcher Planet haben könnte, während er noch stabil ist? Können Sie den ungefähren Radius angeben (falls dies sinnvoll ist) und den Druck in der Mitte?

Wenn Sie versuchen würden, einen Planeten mit einer größeren Masse zu erschaffen , was würde Sie daran hindern?

Ich kann mir zwei mögliche Hindernisse vorstellen, die die Bildung eines schwereren Eisenplaneten verhindern würden.

  • Die Schwerkraft des Planeten kann nicht seine gesamte Masse halten, daher wird ein Teil des Eisens in den Weltraum entweichen.
  • Der Planet (oder zumindest sein Zentrum) wird unter seinem eigenen Druck zusammenbrechen und eine Art Phasenänderung erfahren, sodass er nicht mehr aus flüssigem Eisen besteht, sondern aus etwas anderem: Plasma oder einer anderen exotischen Phase von Materie, die hauptsächlich aus Eisen besteht Kerne, Materie aus verschmolzenen oder gespaltenen Atomen außer Eisen, entartete Neutronenmaterie, andere entartete Materie ohne Kerne, Schwarzes Loch.

Ich frage ausdrücklich nicht, wie schwer sich ein Planet in der Natur bilden könnte, sondern eher, wie schwer ein Planet stabil wäre, wenn er irgendwie entstanden wäre.

Ich habe keine Temperatur für den Planeten angegeben. Stellen Sie sich vor, der Planet kreist um einen Stern oder als freier Planet, je nachdem, was für Sie bequem ist, und wählen Sie eine realistische Gleichgewichtstemperatur, die er in diesem Fall durch Strahlung erreichen könnte. Die Eisenkugel soll kein Kern in einem Stern oder Gasplaneten sein.

Der Planet soll sich langsam genug drehen, dass die Rotation die Gravitationsbeschleunigung auf seiner Oberfläche nicht wesentlich verringern kann.

Wie konnte ein solcher Planet entstehen?
@ HDE226868: Es könnte sich wahrscheinlich nicht aus einem realistischen astronomischen Prozess bilden, weil es nirgendwo genug Eisen gibt, also ist dies hypothetisch. Aber vielleicht könnte es sich aus dem Kern eines Sterns bilden, nachdem der Rest des Sterns ausgetreten ist.
Ich verstehe den Prozess nicht, den Sie sich vorstellen, durch den Eisen "auslaufen" würde. Je größer der Planet, desto stärker das Gravitationsfeld an der Oberfläche.
Ich stimme den Einwänden in dem anderen Kommentar zu, aber dies ist eine gute Frage als theoretisches Szenario mit gegebenen Anfangsbedingungen, unabhängig davon, wie die Anfangsbedingungen entstanden sind. Ich vermute, Sie denken an die stabilste Form, die die Materie im Universum annehmen könnte, bevor sie einem Gravitationskollaps unterliegt? In diesem Fall denke ich, dass die Verbindung von Graf Iblis relevant ist - die meiste Materie geht nicht durch Eisen, bevor sie zu einem Neutronensternkern wird.
@Floris: Der enorme Druck würde einige Teile der Masse irgendwie zwingen, so viel Geschwindigkeit zu erreichen, die stärker als die Schwerkraft ist, und wird daher ausgestoßen. Es klingt nicht sehr wahrscheinlich, aber ich kann es nicht ausschließen, also wollte ich es der Vollständigkeit halber erwähnen.
Die Schwerkraft nimmt mit der Masse zu, daher glaube ich nicht, dass ein solches Ereignis eintreten würde.
@WetSavanna: nein, ich frage nicht nach der stabilsten Form, sondern nach der Phase, die nur eine Stufe stabiler ist als ein Eisenplanet. Es gibt wahrscheinlich mehrere Schritte zwischen einem Eisenplaneten und einem Schwarzen Loch.
Würde das riesige Magnetfeld nicht „auslaufendes“ Eisen zurückziehen, selbst wenn man die Schwerkraft „irgendwie“ überwinden könnte?
Ich freue mich, dass du eine gute Antwort bekommen hast. Es ist eine großartige Frage, aus der ich einiges gelernt habe.
Interessante Möglichkeit, dass ein solcher Planet, der sich direkt an der Grenze der maximalen Größe befindet und von einem Einfluss (Einschlag eines Eisenmeteoriten, Gravitationswelle) beeinflusst wird, „plötzlich“ von einer kalten Eisenkugel in eine Form von kollabierter Materie umschlägt.

Antworten (1)

Sie können eine massive Kugel aus kaltem Eisen mit bis zu etwa 1,1 Sonnenmassen erzeugen , die durch den Druck der Elektronenentartung getragen werden könnte.

Der genaue Punkt der Instabilität wird wahrscheinlich durch den inversen Beta-Zerfall verursacht, der die Elektronenzahldichte verringert (er könnte auch durch extrem schnelle Rotation leicht nach oben modifiziert werden). [NB: Dies ist niedriger als die allgemein für Weiße Zwerge angegebene "Chandrasekhar-Masse", weil (i) es mehr Masseneinheiten pro Elektron in Eisen gibt als für den üblichen Kohlenstoff/Sauerstoff, von dem angenommen wird, dass er in den meisten Weißen Zwergen vorhanden ist, und dies die Entartung verringert Druck für eine gegebene Dichte; und (ii) was noch wichtiger ist, der inverse Beta-Zerfall setzt für Eisen bei viel geringeren Dichten ein als für Kohlenstoff.]

Die Struktur solcher Objekte wird im Detail von Rotondo et al. untersucht. (2011) . Die Instabilität tritt bei einer endlichen Dichte und damit einem endlichen Radius auf, der etwa 2200 km beträgt (der genaue Wert ist ungewiss). Die zentrale Dichte wäre ca 1.1 × 10 12 kg m − 3 (Hier entspricht die Fermi-Energie des Elektrons der Schwellenenergie für den inversen Beta-Zerfall in Eisen). Der zentrale Druck ist im Wesentlichen ein idealer relativistischer Elektronenentartungsdruck – was ich nach meiner Berechnung ungefähr mache 5 × 10 25 Pa. Die Temperatur des Objekts wäre nicht wirklich wichtig - die Elektronen würden vollständig entartet, wenn sie nicht wesentlich überschritten würden 10 8 K (sehen Sie zB diesen Link , setzen Sie die Log-Dichte auf 12 und die Masseneinheiten pro Elektron μ e Zu ∼ 2.2 .)

Das, wonach Sie fragen, gehört also überhaupt nicht zum planetaren Regime.

Wenn Sie versuchen würden, diesem Weißen Zwerg aus Eisen mit maximaler Masse mehr Eisen hinzuzufügen, würde er zusammenbrechen. Das Ergebnis wäre wahrscheinlich ein massearmer Neutronenstern.

Solche Eisenkugeln (oder Eisenspitzenelemente) werden in den Kernen massereicher Sterne erzeugt, es wird jedoch immer angenommen, dass sie über den Instabilitätspunkt hinauswachsen und kollabieren, was eine Supernova-Explosion auslöst.

Ich habe heute einen neuen Ausdruck gelernt - "umgekehrter Beta-Zerfall". Wie unterscheidet sich das von "Elektroneneinfang"? So oder so - ich verstehe das Ergebnis als "weniger Elektronen, mehr Neutronen" und damit als Kollaps (in einen Neutronenstern, aber mit zu viel Energie, um stabil zu sein und damit die Supernova?)
@Floris Inverser Beta-Zerfall. e + p -> n + nu Der semantische Unterschied zwischen dem und dem Elektroneneinfang besteht darin, dass ich denke, dass der Elektroneneinfang normalerweise auf ein Elektron zurückzuführen ist, das überhaupt an den Kern gebunden war. Aber sie sind im Wesentlichen dasselbe. Auch Neutronisierung genannt.
Danke für die Klarstellung (und die Korrektur - Erinnerung an mich selbst: darf nicht vor dem Kaffee telefonieren, ohne Lesebrille...)
Was ist die größtmögliche Masse für einen stabilen Planeten aus Eisen?
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