Как образовался Юпитер?

Именно на расстоянии Юпитера и за его пределами лед мог образоваться из диска вещества, окружавшего раннее солнце. Пройдите намного дальше, и будет слишком много солнечной энергии, чтобы они оставались твердыми (и сублимировали в газы); вот почему астероиды в основном состоят из горных пород и металлов. Таким образом, на этом расстоянии больше материалов планетарного диска может сформировать основные планетезимали.

На данный момент на ваш вопрос в основном отвечает геометрическое соображение (или два) и один из законов Кеплера.

Во-первых, геометрическое соображение. Круг радиуса$r$имеет площадь$\pi r^2$. Чем больше радиус, тем больше площадь. Материал для Юпитера (или любой другой планеты) исходил из кольца: материал за пределами одного круга, но внутри чуть большего круга. В этом кольце было гораздо больше места для внешних планет, чем для внутренних, и поэтому оно могло содержать намного больше массы.

Конечно, это может заставить нас думать, что Юпитер не должен быть самым большим из газовых гигантов: в конце концов, он самый близкий из всех к Солнцу. Однако плотность диска не обязательно должна быть примерно постоянной во всех этих областях. Вполне возможно, что плотность была такова, что область Юпитера имела большую массу, чем области других планет. Как указывает ответ HDE (опубликованный, когда я заканчивал это), эти льды, вероятно, также помогли предотвратить попадание материалов во внутреннюю часть Солнечной системы, поддерживая более высокую плотность, чем можно было бы ожидать во внутренней части Солнечной системы, а также заставляя материалы что-то вроде «запруды» прямо вокруг орбиты Юпитера.

Теперь о законе Кеплера. Чем дальше вы от Солнца, тем медленнее ваш орбитальный период. Выбрав правильные единицы, мы имеем$P^2=a^3$, куда$P$- период, измеряемый в годах, и$a$- большая полуось орбиты, измеренная в а.е. Чем дальше вы уходите, тем медленнее вы вращаетесь вокруг солнца; на самом деле, дело не только в том, что это занимает больше времени, но и в том, что ваша фактическая скорость снижается. Мы также можем рассматривать это как следствие закона всемирного тяготения Ньютона. В самой удаленной от Солнца точке Юпитера скорость убегания составляет немногим более 18 км/с. На максимальном расстоянии от Сатурна скорость убегания падает примерно до 13,25 км/с. Таким образом, внутри орбиты Юпитера все может двигаться примерно на 35% быстрее, чем вблизи Сатурна, и им нужно пройти меньшее расстояние, чтобы совершить полный оборот.

Это означает, что планетезималям требуется больше времени, чтобы подобраться достаточно близко друг к другу, чтобы срастись вместе, чем дальше вы уходите, и среднее время между столкновениями больше.

Теперь, в конце концов, Солнце «включилось» и начало взрывать пространство своим солнечным ветром (до этого тепло исходило в основном от теплового излучения от гравитационного сжатия Солнца). Это закончилось тем, что из Солнечной системы было удалено большинство неаккрецированных частиц, остановлен рост планет (и удалены части существующих атмосфер; очень молодая Земля, вероятно, имела много H и He в своей атмосфере, пока Солнце не ударило ее достаточным количеством). энергии, чтобы выбить все, что не заперто в камнях).

Так что Юпитер, вероятно, оказался в ситуации, похожей на золотую ветку. Средняя плотность региона, в котором он образовался, вероятно, была выше, чем там, где образовались другие гиганты, это было идеальное место для раннего начала аккреции большого количества материалов, и процесс аккреции был бы быстрее. Таким образом, Юпитер растет быстрее, и это дает ему конкурентное преимущество: чем больше становятся растущие планетезимали, тем дальше распространяется их влияние и тем быстрее они могут притягивать больше материалов, а затем мешать росту других планет (или планетезималей). Где-то с массой в 10-15 земных масс гиганты могут начать притягивать большие количества газообразного водорода и гелия. И, опять же, Юпитер, вероятно, столкнулся с этой массой задолго до других гигантов, и у него было больше материала, из которого можно было извлечь.

Вот кое-что из Википедии (выделено мной):

Планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) образовались дальше, за линией инея, в точке между орбитами Марса и Юпитера, где материал достаточно холоден, чтобы летучие ледяные соединения оставались твердыми. Льда, сформировавшего планеты Юпитера, было больше, чем металлов и силикатов, из которых образовались планеты земной группы, что позволило планетам-гигантам стать достаточно массивными, чтобы улавливать водород и гелий, самые легкие и самые распространенные элементы. Планетезимали за линией замерзания накопили до 4 M⊕ примерно за 3 миллиона лет. Сегодня четыре планеты-гиганта составляют чуть менее 99% всей массы, вращающейся вокруг Солнца.Теоретики считают, что Юпитер не случайно находится сразу за линией инея. Поскольку линия инея аккумулировала большое количество воды за счет испарения падающего ледяного материала, она создала область более низкого давления, которая увеличила скорость орбитальных частиц пыли и остановила их движение к Солнцу. По сути, линия инея действовала как барьер, из-за которого материал быстро накапливался на расстоянии ~ 5 а.е. от Солнца. Этот избыточный материал сросся в крупный зародыш (или ядро) размером порядка 10 М.$_⊕$, который начал накапливать оболочку за счет аккреции газа из окружающего диска со все возрастающей скоростью.

Цитата из фактической статьи Википедии о линии мороза :

Более низкая температура в туманности за линией инея делает гораздо больше твердых зерен доступными для аккреции в планетезимали и, в конечном итоге, в планеты. Таким образом, линия инея отделяет планеты земной группы от планет-гигантов в Солнечной системе.

Любые гиганты, которые находятся внутри линии инея в звездных системах, скорее всего, мигрировали внутрь после взаимодействия с протопланетным диском или, как это произошло в нашей Солнечной системе (но не заставило Юпитер двигаться так далеко внутрь), с другими планетами-гигантами. Модель Ниццы описывает такие инциденты