Was wären die Probleme/Folgen eines torusförmigen Planeten?

Es gibt viele coole Effekte - und einige Probleme.

Formation

Planeten entstehen nach einem langen, langwierigen Prozess, der damit beginnt, dass Staubkörner kollidieren und Planetesimale bilden . Diese werden dann zu Protoplaneten , die kilometerweit sein können. Weitere Kollisionen führen zu kleinen, felsigen Planeten, von denen einige zu terrestrischen Planeten werden; andere bilden die Kerne der Gasriesen. Der ganze Prozess ist so, dass es sehr wahrscheinlich wird, dass sich ein Planet zu einer Kugel (oder besser gesagt zu einem abgeflachten Sphäroid ) formt. Es ist wahr, dass Staub- und Steinstücke in einer Art Torusform zusammenkleben könnten, aber sie würden höchstwahrscheinlich zusammenbrechen.

Die Planetendefinition der IAU setzt übrigens voraus, dass sich der Körper gerundet hat. Dies ist in erster Linie ein Terminologieproblem, aber es rührt von der Tatsache her, dass massive Körper dazu neigen, in etwa kugelförmige Formen in sich zusammenzufallen. Die IAU definiert einen Planeten als (Hervorhebung von mir) ein Objekt, das

1. befindet sich im Orbit um die Sonne,
2. ausreichend Masse hat, um ein hydrostatisches Gleichgewicht einzunehmen (eine nahezu runde Form) , und
3. hat "die Nachbarschaft geräumt" um seine Umlaufbahn.

Auch dies ist hauptsächlich ein terminologischer Punkt, aber er ergibt sich aus der Vorstellung, dass massive Objekte unter dem Einfluss ihrer Anziehungskraft kugelförmig werden.

Jetzt werde ich auf die spezifischen Punkte in Ihrer Frage eingehen.

Würde es intakt bleiben?

Ich denke schon, wenn es massiv genug ist - zumindest in dem Sinne, dass es nicht in den Weltraum fliegen würde. Ich bezweifle jedoch, dass es die toroidale Form lange beibehalten könnte - es würde höchstwahrscheinlich zu einer Kugel zusammenbrechen.

Würde die Schwerkraft, die es auf sich selbst ausübte, dazu führen, dass es eine Kugel bildete?

Ja.

Könnten sich Ozeane bilden - würden sie einfach verdunsten?

Nun, wenn es massiv genug ist, sollte es in der Lage sein, Materie festzuhalten. Die Verdunstung der Ozeane wird von der Entfernung zum Stern beeinflusst (die anscheinend der der Erde entspricht) und davon, ob es eine Atmosphäre gibt oder nicht. Ich sollte denken, dass es in der Lage wäre, eine Atmosphäre aufrechtzuerhalten, also sollte es Ihnen gut gehen.

Würde es ein Magnetfeld geben? Was wären die Probleme mit/ohne dieses Feld?

Hier stoßen wir auf ein Problem. Das Magnetfeld der Erde entsteht durch die Bewegung von Flüssigkeiten im Kern . Diese Idee ist als Dynamotheorie bekannt . Wie Wikipedia jedoch feststellt,

Voraussetzung für die Feldinduktion ist eine rotierende Flüssigkeit. Die Rotation im äußeren Kern wird durch den Coriolis-Effekt geliefert, der durch die Rotation der Erde verursacht wird. Die Coriolis-Kraft neigt dazu, Flüssigkeitsbewegungen und elektrische Ströme in Säulen (siehe auch Taylor-Säulen) zu organisieren, die mit der Rotationsachse ausgerichtet sind.

Wie Celtschk betonte, existiert die Coriolis-Kraft immer noch, weil sich das Objekt dreht. Das bedeutet, dass es immer noch eine Flüssigkeitsbewegung durch den Kern geben wird, und es sollte immer noch ein Magnetfeld geben. Ich weiß nicht genau, welche Eigenschaften das Feld haben würde, weil es schwierig ist, herauszufinden, wo die Pole sein würden. Es könnte einen "ringförmigen" (in Ermangelung eines besseren Wortes) zentralen Abschnitt geben, von dem das Feld ausgeht - aber wie gesagt, ich bin mir nicht sicher. Auf jeden Fall würde es wahrscheinlich nicht aus der Nähe der Rotationsachse des Planeten kommen, wie es das Feld der Erde tut.

Würde es unterschiedliche Gravitationsfelder geben, die Probleme verursachen würden?

Lassen Sie mich versuchen, eine Berechnung auf der Rückseite des Umschlags durchzuführen.

Um ein paar Fakten zu veröffentlichen, brauchen wir:

• Die Kraft zwischen zwei Objekten aufgrund der Schwerkraft ist $$F=G\frac{Mm}{r^2}$$
• Der Torus hat einen Radius$R$zwischen dem Mittelpunkt und dem Kreis, der durch den Kreis geht, der durch die Mitte jedes Querschnitts geht; Jeder Querschnitt hat einen Radius$r$.
• Die Masse des Torus ist$m$, und die Dichte ist$\rho$.
• Das Volumen eines Torus ist $$V=(\pi r^2)(2 \pi R)=2 \pi ^2 r^2 R$$

Ein bestimmter Abschnitt des Torus, der durch einen Winkel definiert ist$\theta$(im Bogenmaß) von der Achse in der Mitte hat eine Masse von

$$m_{\theta}=\left( \frac{\theta}{2 \pi} \right)m$$ Jetzt ist der Massenmittelpunkt einer zweiten Scheibe durch einen Winkel von der ersten getrennt$\theta$wird ein Abstand sein $$D_{\text{inner}}=\sqrt{ \left( \left( R - R \cos \left( \frac{\theta}{2} \right) + r \right) ^2 + \left( R \sin \frac{\theta}{2} \right) \right)^2}$$ entfernt von einem Objekt auf dem inneren Teil des Torus, und eine ungefähr gleiche Entfernung zu einem Punkt auf dem äußeren Teil des Torus. (Ich kann die genaue Technik noch nicht beschreiben, aber es ist sehr einfach - ich werde es später zeigen, wenn ich kann). Das bedeutet, dass die Kraft auf das Teilchen (mit Masse$\mu$) vom Massenmittelpunkt des anderen Stücks ist $$dF=G\frac{\left( \frac{1}{2 \pi} \right)m \mu}{\left( R - R \cos \left( \frac{\theta}{2} \right) + r \right) ^2 + \left( R \sin \left( \frac{\theta}{2} \right) \right)^2}d\theta$$ und die Gesamtschwerkraft auf das Teilchen wird sein $$F=2 \int_0^{\pi} G\frac{\left( \frac{1}{2 \pi} \right)m \mu}{\left( R - R \cos \left( \frac{\theta}{2} \right) + r \right) ^2 + \left( R \sin \left( \frac{\theta}{2} \right) \right)^2} d \theta$$ Ersetzen Sie in der Masse der Erde für$m$, der Radius der Erde für$r$, und$R/4$zum$r$, bekomme ich eine Beschleunigung von$51.3\text{ m/s}^2$. Der Torus muss jedoch eine viel geringere Masse haben, um in einer Torusform zu bleiben, sodass die Oberflächenbeschleunigung aufgrund der Schwerkraft tatsächlich viel besser beherrschbar sein könnte.

Was ist mit Tag / Nacht-Zyklen - vermutlich wären sie seltsam?

Es scheint, dass die meisten Orte normale Tag/Nacht-Zyklen haben würden. Einige Orte am inneren Rand werden möglicherweise nie Tag sehen, wenn$R$ist klein, aber wenn$R$groß ist - und ich denke, das ist wahrscheinlich - sollten die Dinge relativ normal sein. Obwohl der Himmel aus der anderen Seite des Planeten bestehen würde.

Vor einiger Zeit habe ich einen torusförmigen Planeten numerisch berechnet. In dieser Antwort gebe ich die Parameter, die ich erhalten habe, als Referenz an alle weiter, die an dieser Frage interessiert sind.

Methode

Gestein und Metalle mögen fest erscheinen, aber in der Größenordnung von Planeten und den Drücken in ihrem Inneren sind sie in sehr guter Näherung flüssig. Um einen stabilen toroidalen Planeten zu haben, muss seine Oberfläche die gleiche potentielle Energie haben. Mit anderen Worten, wenn wir uns auf der Oberfläche des Torus bewegen, dürfen wir keine Arbeit verrichten. Wenn diese wichtige Bedingung nicht erfüllt ist, ist der Planet instabil.

Ich habe den Planeten dargestellt, indem ich viele massive Punkte, für die sowohl Potential als auch Gravitationskraft berechnet werden können, in viele Scheiben gelegt habe, die einen Torus bilden. Jede Scheibe hatte drei Kreise massiver Punkte. Mehrere Tests haben gezeigt, dass das Setzen von mehr Kreisen mit massiven Punkten oder mehr Scheiben das Ergebnis nicht zu sehr verändert.

Darstellung des Torus durch massive Punkte. Der Torus ist tatsächlich elliptisch.

Dann fügte ich ein Zentrifugalkraftpotential hinzu und suchte nach einer Oberfläche mit konstantem Potential, die die massiven Punkte umschließen und die Oberfläche des Planeten darstellen könnte. An der Oberfläche habe ich das Kraftfeld berechnet.

Gravitationskraftfeld auf der Torusoberfläche. Die Innenseite des Torus ist rechts, die Außenseite links.

Es mag widersprüchlich sein, dass die potentielle Energie auf der gesamten Oberfläche gleich ist, aber die Gravitationsstärke sich ändert. Gleiche potentielle Energie bedeutet nur, dass die Kraft immer in die Oberfläche zeigt und das Herumlaufen keine Arbeit erfordert. Aber die Gravitationskraft wird sich ändern. Am stärksten ist sie innerhalb des Torus, wo sich Zentrifugal- und Gravitationskräfte addieren. Am schwächsten ist es außen, wo sie subtrahieren.

Ergebnisse

Das wichtigste Ergebnis ist, dass der toroidale Planet tatsächlich stabil sein kann, wenn Sie die Gravitations- und die Zentrifugalkraft genau ausbalancieren. Der Planet muss sich sehr schnell drehen, sonst kollabiert er zu einer Kugel. In diesem Fall einmal in 2,65 Stunden. Andere Parameter, die für meinen Planeten gültig sind, sind unten aufgeführt, aber es kann wahrscheinlich viele andere geben, die ebenfalls funktionieren.

• Dichte:$5500\;\mathrm{kg/m^3}$
• Masse: 6,6 Erdmassen
• Volumen: 6,6 Erdvolumen
• Außenradius: 19.134 km
• Innerer Radius: 6378 km
• Hauptachse: 6378 km
• Kleine Achse: 4464 km
• Äußeres g. Beschleunigung:$3.64\;\mathrm{m/s^2}$
• Oben/unten g. Beschleunigung:$7.36\;\mathrm{m/s^2}$
• Innere g. Beschleunigung:$9.78\;\mathrm{m/s^2}$
• Tageslänge: 2,65 Stunden

Dies gibt eine gute Behandlung des vorliegenden Themas, wobei auch eine Oberflächengravitationskarte bereitgestellt wird.

In Bezug auf die Magnetfelder würde der (vermutlich metallische / flüssige) Kern, wenn er in Bewegung wäre oder irgendwie einen Ringstrom induziert hätte, ein Magnetfeld erzeugen, das Partikel dazu bringt, durch die Mitte des Torus zu gelangen. Das Bild zeigt den Ringstrom der Erdmagnetosphäre, der zu den Polarlichtern führt. Ein ähnliches Magnetfeld in einem Torusplaneten würde keine Polarlichter erzeugen, da sie durch das Zentrum gehen.

Aber mit Sicherheit wird der Planet ohne den Vorteil exotischer Materialien mit Zug- und Druckfestigkeiten, die um mehrere Größenordnungen höher sind als alles, was den Ingenieuren bekannt ist, der Schwerkraft standhalten.

Die Folge wäre, dass es (wenn es natürlich geformt wäre) durch seine eigene Schwerkraft zu einer Kugel zusammenbrechen würde.

Um zu bestehen, müsste es wie Larry Nivens Ringworld konstruiert (künstlich gebaut) werden

In beiden Fällen müssen Sie sich mit dem Mangel an Magnetfeldern befassen, die es vor kosmischer Strahlung und / oder der Sonne schützen (falls eine vorhanden ist).

Eine Toruswelt (wenn Sie sie starr genug machen können, um zu bestehen) hätte eine seltsame Schwerkraft, je nachdem, ob Sie sich auf der "inneren" Seite des Torus (schwächere Schwerkraft) oder der "äußeren" (stärker) befinden. Und es müsste unwahrscheinlich starr sein, um bestehen zu bleiben. Außerhalb des Bereichs der physikalischen Machbarkeit. Nur Magie könnte es für dich tun.

Bearbeiten: Nach dem Lesen des Links in der interessanten @March Ho- Antwort (lesen Sie ihn, ich werde warten) scheint ein solcher Torus für einige sehr enge Werte der Rotationsgeschwindigkeit stabil zu sein (wenn er nicht durch Gezeitenkräfte von der eigenen Sonne oder der Schwerkraft gestört wird von andere Planeten).

Faszinierende Schwerkraftunterschiede (mit Folgen für atmosphärische Strömungen), geostationäre Umlaufbahn in nur 2000 km Höhe, Nordpolkreis, Jahreszeitenunterschiede zwischen innerem und äußerem Äquator oder sogar 4 kalte und 4 warme Jahreszeiten in einem Jahr und Bonus: Mondbahnen, wie einer, der durch das Loch auf und ab hüpft oder eine Vase darin formt.

Unwahrscheinlich, aber faszinierend, wenn es erschaffen wird.

Es ist ein lustiges Problem, darüber nachzudenken. Ich bin neugierig zu wissen, welche der möglichen Rotationsachsen des Planeten senkrecht zur Tangente des Bogens seiner Umlaufbahn um die Sonne wäre.

Wie andere bereits erwähnt haben, würden Erde und Wasser dazu neigen, sich in der Mitte des Rings anzusammeln (wobei der kleinere Umfang zwei Punkte am Innenrand eines Querschnitts näher zueinander bringt als Partikel am Außenrand dieser beiden Kreuze Abschnitte und der Anziehungswinkel ziehen die Partikel von der Oberfläche des Planeten weg und aufeinander zu und durch Verlängerung zum Zentrum des Torus, wodurch die Wirkung der "abwärts gerichteten" Gravitationskraft auf die Reibung zwischen Partikeln verringert und das Rutschen und Ansammeln verbessert wird in der Mitte des Rings in einem geometrisch zunehmenden Tempo). Dies wäre trotz Rotationsgeschwindigkeit, solange der Planet genügend Masse hätte, um eine ausreichend starke Gravitationswirkung auszuüben, um zu verhindern, dass Partikel am äußeren Rand die Umlaufbahn verlassen.

Ich denke, Sie würden auch Jets geladener koronaler Masse sehen, die in die Mitte der "Oberseite" und "Unterseite" des Torus gesaugt und dann ausgestoßen werden, wenn der Torus "mit der Kante" auf die Sonne / Sonnenwinde ODER einige gerichtet wäre mögliche Ansammlung dieser Teilchen auf der fernen/hinteren Seite des Torus, wenn der Torus nicht perfekt "kantenförmig" zur Sonne/den Sonnenwinden ausgerichtet ist. dies könnte im ersten Fall zu einem spektakulären kulumnaren Polarlichtzentrum führen, das als blasser Zylinder sichtbar ist. Im zweiten Fall, der nur von der dunklen Seite des Rings sichtbar ist, wäre die Aurora eher so, wie wir sie auf unserem eigenen Planeten sehen, aber turbulenter mit Rot in der Nähe der Mitte, Grün um sie herum und Blau und Lila, die sich an den Rändern vermischen .