Wie ist Jupiter dort entstanden, wo er ist?

In Jupiters Entfernung und darüber hinaus konnte sich Eis aus der Materialscheibe bilden, die die frühe Sonne umgibt. Gehen Sie viel weiter hinein und es gibt zu viel Energie von der Sonne, als dass sie als Feststoffe bleiben könnten (und in Gase sublimieren); Aus diesem Grund bestehen Asteroiden hauptsächlich aus Gestein und Metall. In dieser Entfernung können also mehr Materialien der Planetenscheibe die Basisplanetensimale bilden.

An diesem Punkt wird Ihre Frage weitgehend durch eine (oder zwei) geometrische Betrachtung und eines der Keplerschen Gesetze beantwortet.

Zunächst die geometrische Betrachtung. Ein Kreis mit Radius$r$Fläche hat$\pi r^2$. Je größer der Radius, desto mehr Fläche. Das Material für Jupiter (oder jeden anderen Planeten) stammte aus einem Ringraum: Material außerhalb eines Kreises, aber innerhalb eines etwas größeren Kreises. Dieser Ringraum hatte viel mehr Fläche für die äußeren Planeten als die inneren Planeten und konnte daher viel mehr Masse enthalten.

Das könnte uns natürlich denken lassen, dass Jupiter nicht der größte der Gasriesen sein sollte: Immerhin ist er der Sonne am nächsten. Die Dichte der Scheibe muss jedoch nicht in diesen Bereichen annähernd konstant gewesen sein. Möglicherweise war die Dichte so groß, dass Jupiters Region mehr Masse hatte als die Bereiche für die anderen Planeten. Wie die Antwort von HDE (gepostet, als ich dies beendete) hervorhebt, haben diese Eise wahrscheinlich auch dazu beigetragen, Materialien daran zu hindern, in das innere Sonnensystem zu gelangen, eine höhere Dichte aufrechtzuerhalten, als Sie sonst im inneren Sonnensystem erwarten würden, und Materialien dazu veranlasst eine Art "Aufstau" direkt um Jupiters Umlaufbahn herum.

Nun zum Keplerschen Gesetz. Je weiter Sie von der Sonne entfernt sind, desto langsamer ist Ihre Umlaufzeit. Wir haben die richtigen Einheiten ausgewählt$P^2=a^3$, wo$P$ist der in Jahren gemessene Zeitraum, und$a$ist die große Halbachse der Umlaufbahn, gemessen in AU. Je weiter du hinausgehst, desto langsamer gehst du um die Sonne herum; in der Tat ist es nicht nur so, dass Sie insgesamt länger brauchen, sondern Ihre tatsächliche Geschwindigkeit sinkt. Wir können dies auch als Folge des Newtonschen Gravitationsgesetzes sehen. Am sonnenfernsten Punkt des Jupiter beträgt die Fluchtgeschwindigkeit etwas mehr als 18 km/s. Bei maximaler Entfernung zum Saturn sinkt die Fluchtgeschwindigkeit auf etwa 13,25 km/s. So können die Dinge innerhalb der Umlaufbahn des Jupiters ungefähr 35 % schneller sein als näher an der des Saturns, und sie müssen weniger zurücklegen, um eine vollständige Umlaufbahn zu machen.

Dies bedeutet, dass Planetesimale länger brauchen, um einander nahe genug zu kommen, um sich zusammenzuballen, je weiter Sie nach draußen gehen, und es gibt eine längere mittlere Zeit zwischen Kollisionen.

Jetzt „schaltete“ sich schließlich die Sonne ein und fing an, den Weltraum mit ihrem Sonnenwind zu sprengen (davor kam die Wärme hauptsächlich von der thermischen Strahlung der Gravitationskontraktion der Sonne). Dies führte dazu, dass die meisten nicht angesammelten Partikel aus dem Sonnensystem entfernt wurden, das Planetenwachstum gestoppt wurde (und Teile der bestehenden Atmosphären entfernt wurden; eine sehr junge Erde hatte wahrscheinlich viel H und He in ihrer Atmosphäre, bis die Sonne sie mit genug traf Energie, um etwas davon wegzustoßen, das nicht in Felsen eingeschlossen ist).

Jupiter befand sich also wahrscheinlich in einer Art Goldlöckchen-Situation. Die durchschnittliche Dichte der Region, in der es sich gebildet hat, war wahrscheinlich höher als dort, wo sich die anderen Riesen gebildet haben, es war der perfekte Ort für viele Materialien, um früh mit der Akkretion zu beginnen, und der Akkretionsprozess wäre schneller gewesen. Jupiter wächst also schneller, und das verschafft ihm einen Wettbewerbsvorteil: Je größer die wachsenden Planetesimale werden, desto weiter reicht ihr Einfluss und desto schneller können sie mehr Material einziehen und anschließend das Wachstum anderer Planeten (oder Planetesimale) stören. Irgendwo um eine Masse von 10-15 Erdmassen herum können die Riesen damit beginnen, große Mengen der Wasserstoff- und Heliumgase einzusaugen. Und wieder traf Jupiter diese Masse wahrscheinlich lange vor den anderen Riesen und hatte mehr Material, aus dem er ziehen konnte,

Hier ist etwas aus Wikipedia (Hervorhebung von mir):

Die Riesenplaneten (Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun) bildeten sich weiter draußen jenseits der Frostgrenze, dem Punkt zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter, wo das Material kühl genug ist, damit flüchtige eisige Verbindungen fest bleiben. Das Eis, das die jovianischen Planeten bildete, war häufiger als die Metalle und Silikate, die die terrestrischen Planeten bildeten, was es den Riesenplaneten ermöglichte, massiv genug zu werden, um Wasserstoff und Helium, die leichtesten und am häufigsten vorkommenden Elemente, einzufangen. Planetesimale jenseits der Frostgrenze haben sich innerhalb von etwa 3 Millionen Jahren auf bis zu 4 M⊕ angesammelt. Heute umfassen die vier Riesenplaneten knapp 99 % der gesamten Masse, die die Sonne umkreist.Theoretiker glauben, dass es kein Zufall ist, dass Jupiter knapp hinter der Frostgrenze liegt. Da die Frostlinie große Mengen Wasser durch Verdunstung von einfallendem Eismaterial ansammelte, schuf sie einen Bereich mit geringerem Druck, der die Geschwindigkeit der umkreisenden Staubpartikel erhöhte und ihre Bewegung in Richtung Sonne stoppte. Tatsächlich fungierte die Frostgrenze als Barriere, die dazu führte, dass sich Material in einer Entfernung von ~5 AE von der Sonne schnell ansammelte. Dieses überschüssige Material verschmolz zu einem großen Embryo (oder Kern) in der Größenordnung von 10 M$_⊕$, die begann, durch Ansammlung von Gas aus der umgebenden Scheibe mit immer größerer Geschwindigkeit eine Hülle anzusammeln.

Zitat aus dem eigentlichen Wikipedia-Artikel über die Frostlinie :

Die niedrigere Temperatur im Nebel jenseits der Frostgrenze macht viel mehr feste Körner für die Akkretion in Planetesimale und schließlich Planeten verfügbar. Die Frostgrenze trennt daher terrestrische Planeten von Riesenplaneten im Sonnensystem.

Alle Riesen, die in Sternsystemen innerhalb der Frostgrenze liegen, sind höchstwahrscheinlich nach Wechselwirkungen mit der protoplanetaren Scheibe oder, wie in unserem Sonnensystem geschehen (aber nicht dazu geführt, dass Jupiter sich so weit nach innen bewegt hat), mit anderen Riesenplaneten nach innen gewandert . Das Modell von Nizza beschreibt solche Vorfälle