Насколько большой может стать обитаемая планета до того, как ее гравитация превысит 9,81 м/с² Земли более чем на 0,8 м/с?

Вам нужно магнитное поле...

Это означает, согласно нашим последним теориям о том, как планеты создают свое магнитное поле, в ядре должен быть металл. Учитывая изобилие элементов во Вселенной, я думаю, вы выберете либо металлический водород, либо железо-никель.

Считается, что металлический водород присутствует в условиях, присутствующих в ядре таких тяжеловесов, как Юпитер, поэтому я полагаю, что он не подходит. Тогда у вас останется железо-никель, как наша Земля.

Тогда начинает играть роль размер планеты: слишком маленькая и она быстро, в астрономические времена, остынет, остановив динамо (спросите информацию у Марса) и убив магнитное поле.

Из 4 точек данных, которые у нас есть в нашем статистическом ряду (Меркурий, Венера, Земля и Марс), только одна имеет достаточную геологическую активность, чтобы указать на значительное расплавленное ядро, и это Земля. Венера имеет признаки вулканизма, но не имеет магнитного поля, так что это какой-то странный шар. Возьмем размер ядра примерно такой же, как у Земли. Как мы можем сделать планету больше, не слишком увлекаясь гравитацией?

Мы можем использовать более легкие элементы, но и здесь нас сдерживает обилие элементов. Наиболее вероятным выбором кажется кора, богатая углеродом, намного богаче, чем Земля, которая содержит 3000 частей на миллион углерода и 653 части на миллион кремния, а также 9500 частей на миллион кислорода.

Если удастся понизить среднюю плотность до 5 г/куб.см, можно добраться до радиуса 7500 км с гравитацией 10,48.$m/s^2$. (Земля имеет плотность 5,5 г/куб.см при радиусе 6300 км). С 4,5 г/куб.см можно проехать около 8000 км.

Однако имейте в виду, что может быть сложно совместить богатую углеродом планету с богатой кислородом атмосферой.

Если бы планета была сделана из легкого материала без большого железного ядра, она могла бы быть намного больше. Дело в магнитном поле...

Взгляните на Ганимед: у него есть магнитное поле, но оно скрыто в гораздо большем поле Юпитера. Я думал, что была луна с «индуцированным» магнитным полем от ее родителя, но, возможно, это устарело. Но это работает: это показывает, что большое тело может быть экранировано магнитным полем его первичной обмотки, поэтому ему не нужно создавать его самому!

Пусть тело больше Земли вращается вокруг суперюпитерианской планеты или коричневого карлика, у которого есть магнитное поле, отклоняющее солнечный ветер, и все такое прочее.

Спасибо М.А.Голдингу за нахождение этой научной работы, в которой исследуется именно эта идея: магнитное экранирование экзолун за пределами околопланетной обитаемой границы .

Если вам нужна обитаемая планета с гравитацией, подобной земной, а также с магнитным полем и атмосферой, подобной земной, то эта планета будет такого же размера и массы, как Земля.

Существует ряд взаимосвязанных свойств, которые определяют, почему не будет большого отклонения.

Поверхностная гравитация определяется радиусом планеты и ее массой.

$g = GM/r^2$

Где:

• $g$сила тяжести на поверхности ($\sf{m/s^2}$)
• $M$масса планеты ($\sf{kg}$)
• $r$радиус планеты ($\sf{m}$)
• G — гравитационная постоянная со значением$\sf{6.647 x 10^{-11} m^3.kg^{-1}.s^{-2}}$

Средняя плотность планеты - это просто масса, деленная на объем,$\rho = M/V$

Свойства Земли:

• Масса,$\sf{5973.6 \ x \ 10^{21} \ kg}$
• Радиус,$\sf{6371 \ km}$
• Объем,$\sf{1083.207 \ x \ 10^9 \ km^3}$
• Средняя плотность,$\sf{5.514 \ g/cm^3}$
• Сила тяжести,$\sf{9.7803 m/s^2}$

Если бы радиус вашей планеты был равен 1,1 радиуса Земли ($\sf{7008.1 \ km}$), а масса равнялась 1,3072 массы Земли ($\sf{7808.69 \ x 10^{21} \ kg}$), его плотность будет$\sf{5.416 \ g/cm^3}$, что немного меньше, чем у Меркурия ($\sf{5.427 \ g/cm^3}$). Поверхностная гравитация будет$\sf{10.61 \ m/s^2}$.

Если радиус равен 1,5 радиуса Земли, а масса равна 2,431 массы Земли, гравитация$\sf{10.61 \ m/s^2}$, но средняя плотность будет только$\sf{3.972 \ g/cm^3}$, что было бы очень похоже на плотность Марса ($\sf{3.934 \ g/cm^3}$). Это сравнительно низкая плотность, которая предполагает более легкое ядро ​​​​планеты и, возможно, меньшее магнитное поле.

Вам нужна планета с меньшей плотностью, чем Земля. Если бы кто-то увеличил радиус планеты, сохранив плотность неизменной, масса увеличилась бы в кубической пропорции, а поскольку гравитация равна массе, умноженной на гравитационную постоянную, деленную на квадрат радиуса, это означает, что гравитация на поверхности будет увеличиваться в линейной зависимости. функция. Планета с плотностью Земли и гравитацией 1,08 г, что является самым верхним пределом, будет иметь радиус 1,08 радиуса Земли. Нам нужно будет использовать менее плотные материалы, и давайте предположим, что эта планета не является газовым гигантом. Паллада, карликовая планета, состоящая в основном из льда, имеет плотность 2890 кг/м^3, что примерно в 1,91 раза меньше плотности Земли.

Если бы у нас была планета с радиусом Земли и плотностью Паллады, гравитация на ее поверхности составляла бы 0,524 радиуса Земли. Это означает, что самый верхний радиус, обеспечивающий поверхностную гравитацию в указанном вами диапазоне, будет равен 2,06 радиуса Земли. Что-нибудь большее, и вам, вероятно, придется сделать его газовым гигантом, чтобы поддерживать поверхностную гравитацию достаточно низкой.

Магнитное поле, подобное земному, подразумевает наличие проводящего жидкого ядра (не обязательно металлического; любая проводящая жидкость, которая циркулирует правильным образом, создает магнетизм). Плотность этого ядра, мантии и материала земной коры будет определять, насколько большим может быть радиус и находиться в ваших гравитационных пределах (обратите внимание, что чем больше радиус, тем больше может быть масса, поэтому нам не нужно ограничивать планета не массивнее Земли).

Если мы устраним возможность искусственной конструкции (поверхности, представляющей собой тонкую оболочку, поддерживаемую максимально узкими опорами поверх гораздо меньшего и более плотного тела, чтобы обеспечить требование магнитного поля), нам понадобится наименее плотный материал, чтобы преобладать в нем. мантия и кора.

Этот наименее плотный материал (который может выдержать вес слоев выше), вероятно, представляет собой некую форму прессованного льда. Есть и другие вопросы (и даже XKCD, насколько я помню) относительно того, насколько большой и плотной может быть планета, состоящая из чистой воды; это не будет чистая вода (должна быть проводящей, что подразумевает определенный минимальный уровень растворенных ионов — морская вода здесь работает очень хорошо, на 2,5% плотнее чистой), но это мало что изменит.

Что я помню из них, так это то, что вы окажетесь с жидкой или твердой поверхностью (в зависимости от атмосферы), глубоким слоем жидкой воды, слоем горячего льда под давлением и сверхгорячим жидким ядром. Общая плотность будет не выше трети плотности силикатных и ультраосновных пород земной коры и мантии, покрывающих железо-никелевое ядро, что позволяет планете быть примерно в три раза больше диаметра Земли, чтобы иметь такая же гравитация.

Возникающая проблема состоит в том, что вода не будет водой в центре такой массы; где-то внизу есть точка, в которой он становится рыхлым «супом» из несвязанных кислорода и водорода и, как таковой, может стать непроводящим. Насколько мне известно, никому не удавалось исследовать, что делает вода под давлением более миллиона атмосфер, а такое давление может пройти на глубине в несколько сотен километров.

Как могло образоваться такое тело, является еще одним интересным вопросом, поскольку даже кометы содержат немного пыли и камней в своих ядрах и, таким образом, вносят свой вклад в небольшое каменистое ядро ​​(которое, вероятно, не будет жидким, поскольку в ядре не так много тепла). доступны как на каменистой планете). В конце концов, мы можем вернуться к искусственной конструкции...

Сатурн.

Сатурн имеет гравитацию 10,44 м/с^2, чуть ниже вашего предела. Он состоит в основном из водорода с небольшим количеством гелия, и трудно найти способ очистить планету от гелия. Вы можете предположить разработку, которая вырывает маленькое каменное ядро, и вы можете его немного нагреть, потому что сейчас обитаемая зона (300 К, жидкая вода) составляет около 15 атм, а вы хотите, чтобы она была ближе к 1 атм. Но недра планеты чрезвычайно горячие, так что вы расширите самое большее несколько сотен километров атмосферы в два раза или меньше, с эффектом 2 пи на окружности. Если ядро ​​Сатурна не окажется существенным, с точностью до трех значащих цифр, я думаю, что окружность Сатурна в 366 000 км — это все, что вы собираетесь получить.

Есть еще магнитное поле. Что касается поверхности, то это отдельная история ... :)