Wie groß könnte ein Planet sein und sich dennoch der Schwerkraft der Erde annähern und das Leben, wie wir es kennen, unterstützen?

Bei einem kugelsymmetrischen Planeten wird die Oberflächengravitation durch nur zwei Größen bestimmt: Die durchschnittliche Dichte,$\rho$, und der Radius,$R$. Insbesondere aufgrund der Kugelsymmetrie können Sie die gesamte Masse des Planeten als im Zentrum konzentriert betrachten und erhalten dann für die Gravitationsbeschleunigung an der Oberfläche:

$g = G\frac{M}{R^2}$mit$M = \rho V = \frac{4\pi}{3}\rho R^3$

und deshalb

$g = \frac{4\pi G}{3}\rho R$.

Das heißt, wenn Sie die gleiche Gravitation auf der Oberfläche eines größeren Planeten wünschen, müssen Sie seine durchschnittliche Dichte um denselben Faktor verringern.

Das Problem ist, dass Sie die Dichte nicht willkürlich reduzieren können, da der Druck in ausreichendem Abstand von der Oberfläche sicherstellt, dass Ihr Material komprimiert wird, um keine signifikanten Löcher zu haben, und daher nur die Substanz selbst die Dichte bestimmt.

Eine Möglichkeit besteht darin, keinen Eisenkern zu haben. Das würde aber wiederum bedeuten, dass es kein Magnetfeld gibt, das Sie vor kosmischer Strahlung und Sternenwind schützt. Laut dieser SeiteDer Kern (innerer und äußerer zusammen) hat einen Radius von 3400 km (2100 + 1300) und macht 32 % (oder ungefähr 1/3) der Erdmasse aus. Mit einem Erdradius von etwa 6400 km ist er etwas mehr als der halbe Erdradius, hat also etwas mehr als 1/8 des Erdvolumens. Daher würde das Ersetzen durch Mantelmaterial die Erddichte um etwa 25% verringern (eigentlich weniger, da der Kern unter größerem Druck steht und daher dichter ist). Unter der Annahme, dass sich diese Dichte beim Vergrößern des Planeten nicht wesentlich ändert, würde dies bedeuten, dass Sie einen Planeten erhalten würden, dessen Radius etwa 4/3 des Erdradius beträgt (und die Oberfläche daher 16/9 der Erdoberfläche beträgt oder 77% mehr als die Erdoberfläche).

Da der Mantel auch dichter ist als die Kruste, denke ich, dass eine weitere Dichtereduzierung (und damit Radiusvergrößerung) möglich sein sollte (allerdings möglicherweise auf Kosten der Kontinentaldrift / geologischen Aktivität; diese könnten eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Lebens gespielt haben). .

Beachten Sie, dass eine Kugelhülle um den Planeten die Gravitation an der Oberfläche überhaupt nicht beeinflussen würde, da eine solche Hülle keine Gravitationskraft im Inneren verursacht.

Eine schnelle Rotation würde die scheinbare Gravitation in der Nähe des Äquators verringern, aber jede Rotation, die schnell genug ist, um einen merklichen Unterschied zu machen, würde auch die Coriolis-Kraft ziemlich stark machen. Außerdem würde es nichts für die Polarregionen tun, sodass Sie einen steilen Gravitationsgradienten über den Breitengrad erhalten würden. Ich bin mir nicht sicher, ob das sehr lebensfreundlich wäre.

Ein "Gegenzug" von einer anderen Struktur wird als Gezeitenkraft bezeichnet. Ich bin mir ziemlich sicher, dass die Gezeitenkräfte den Planeten auseinanderreißen würden, bevor es einen merklichen Unterschied in der Anziehungskraft machen würde (beachten Sie, dass Sie die Gezeitenkraft des Mondes auf der Erde nicht spüren, Sie sehen sie nur von den Gezeiten). .

Wenn Ihr Planet aus Wasser besteht, könnten Sie einen Radius haben, der ungefähr viermal so groß ist wie der der Erde, mit ungefähr der gleichen Schwerkraft, ohne zusätzliche Kräfte oder künstliche Mittel zur Verringerung der Schwerkraft.

Wir können dies basierend auf der Celtschk-Gleichung für die Schwerkraft berechnen:$g=\frac{4πG}{3}ρR$

Um daraus die Größe unseres Planeten zu berechnen, müssen wir ungefähr die Dichte des Wassers kennen, die vom Druck abhängt, unter dem es steht. Wasser ist bei den Drücken, denen es im Ozean der Erde begegnet, eine ungefähr inkompressible Flüssigkeit, aber bei ausreichend hohen Drücken kann es seine Phase in eine Vielzahl verschiedener Eise ändern. Nehmen wir für unseren Wasserplaneten an, dass der Druck größtenteils dem Druck an der Basis des Erdmantels ähnelt oder innerhalb einer Größenordnung dieses Drucks liegt. Dies ergibt einen Druck von etwa 140 GPA, was einer Form von Eis namens Eis X entspricht .

Im Gegensatz zu gewöhnlichem Eis, das wir auf der Erdoberfläche antreffen, das eine geringere Dichte als flüssiges Wasser hat, hat Eis X eine Dichte von etwa 2,5$\frac{g}{cm^3}$. Dies ist ungefähr ein Viertel der Dichte des Gesteins, aus dem die Erde besteht. Basierend auf unserer Gleichung für die Schwerkraft sollten wir also in der Lage sein, einen Planeten mit etwa dem vierfachen Erdradius mit der gleichen Schwerkraft zu haben, wenn er hauptsächlich hergestellt würde aus Wasser. Dieser Planet könnte das Leben, wie wir es kennen, unterstützen, wenn „Leben, wie wir es kennen“ als „Fische“ verstanden werden kann.

Aufbauend auf den anderen beiden Antworten ist die grobe Antwort etwa die Größe der Erde plus vielleicht 10 bis 12 %. Dies setzt keine magischen Baumaterialien voraus - nur Gestein.

Wie Celtschk betont hat, ist die Oberflächengravitation (für eine gleichförmige Kugel) gleich dem Produkt aus Radius und Dichte. Die durchschnittliche Dichte der Erde beträgt etwa 5,5. Während der Kern dichter ist als die Kruste, was der führenden Annahme widerspricht, ist der Kern nicht allzu groß, also gehen wir vom Durchschnitt aus.

Das spezifische Gewicht von Magma beträgt etwa 2,2 bis 2,8 oder etwas weniger als die Hälfte von 5,5. Es stimmt zwar, dass die Dichte des Gesteins mit dem Druck zunimmt (der Kern wird also auch ohne Eisen dichter), aber diese Zahl

https://en.wikipedia.org/wiki/Structure_of_the_Earth#/media/File:RadialDensityPREM.jpg

zeigt, dass der Kern (obwohl er doppelt so dicht wie die äußeren Schichten ist, nur etwa 1/4 der Gesamtmasse der Erde ausmacht. Der Radius des Kerns beträgt etwa 1/2 des der Erde, also beträgt sein Volumen 1/8. Austauschen Eisen für Gestein verringert die Gesamtmasse (und die durchschnittliche Dichte) nur um 1/8, sodass eine Best-Case-Zahl eine Vergrößerung des Erdradius um etwa 12 % ermöglichen würde.

Ohne schweren Kern gibt es natürlich kein Magnetfeld und keine Plattentektonik. Die Quelle der inneren Wärme der Erde ist der radioaktive Zerfall schwerer Elemente. Ohne Tektonik gibt es keine Gebirgsbildung (Orogenese) mit dem Ergebnis, dass alles Land über der Meeresoberfläche abgetragen wird und ein ansonsten erdähnlicher Planet eine Wasserwelt sein wird.

Größe des Gasriesen. , obwohl es viel Zukunftstechnologie erfordern würde, um Menschen zu realisieren, die auf riesigen Heißgasballons leben, die in der oberen Atmosphäre des Saturn schweben. Ich bin mir nicht sicher, ob es physikalisch möglich ist: Der Ausfallmodus ist einfach zu katastrophal und das Wetter ist ... schwierig. Sie würden sicherlich mehrfach redundante Fusionskraftsysteme und superstarke Materialien benötigen.

Aber wenn Sie die technischen Probleme lösen könnten, wäre die Schwerkraft auf der Oberfläche einer solchen Plattform erdähnlich.

Gasriesen sind über einen weiten Massenbereich hinweg ungefähr gleich groß. Je mehr Masse sie haben, desto mehr wird sie im Kern komprimiert. Sie reichen von Planeten wie Uranus bis hin zu braunen Zwerghalbsternen. Sie erhalten am unteren Ende erdähnliche Schwerkraft, wie Saturn.

Mehrere vorherige Antworten liefern Ihnen Werte für felsige (ungefähr erdgroße), wasser- (ungefähr 4x erdgroße) und gasförmige (ungefähr saturngroße) Planeten, wenn nur die Schwerkraft berücksichtigt wird.

Aber Sie könnten einen wesentlich massiveren Planeten bauen, der eine Oberflächengravitation von 1 g aufrechterhält, wenn Sie ihn einer extremen Rotation aussetzen. Wie Celtschk erwähnt, würde ein solcher Planet eine Oberflächengravitation besitzen, die mit dem Breitengrad enorm zunimmt.

Ein solcher Planet ist auf bestimmte maximale Spineigenschaften beschränkt, sonst würde er dazu neigen auseinanderzufliegen. Ein Artikel, den ich gelesen habe, gab an, dass eine Umdrehung alle 2,5 Stunden ungefähr das Maximum war. Mit diesem einschränkenden Faktor habe ich vor einiger Zeit eine Antwort auf eine ähnliche Frage gegeben.

Wenn Sie Spin hinzufügen, könnten Sie die Größe Ihres felsigen Planeten erreichen

• Masse$\approx 1.25 \times M_{Jupiter}$
• Radius$\approx 10 \times r_{Earth}$
• äquatoriale Schwerkraft -$g_{equator} = 1 g$
• polare Schwerkraft -$g_{polar} = 16.6 g$
• Schwerkraftvariation nach Breitengrad -$g \approx 1 + \sin\left(latitude\right) \times 15.6$

Nur ein relativ schmaler Streifen entlang des Äquators wäre für an der Oberfläche lebende Menschen bewohnbar. Menschen, die an das Leben im Wasser angepasst sind, könnten jedoch wahrscheinlich den gesamten Planeten nutzen. Der Auftrieb würde auch je nach Breitengrad variieren, und dies könnte eine interessante Handlung ergeben.

Es gibt keine Grenzen

Wenn Sie nur nach natürlicher Gravitationskraft suchen, müssen Sie das Gesetz der universellen Gravitation anwenden, und der Planet kann immer weniger Masse haben, bis er nicht mehr erdähnliche Eigenschaften (hauptsächlich geothermische Eigenschaften) beibehalten kann. Sie können die Schwerkraft jedoch durch andere Kräfte ersetzen, wenn Sie Ihrem Planeten eine teilweise künstliche Kraft zulassen, insbesondere die Zentripetalkraft.