Почему все планеты и звезды в нашей Солнечной системе имеют такие одинаковые средние плотности?

Я не думаю, что есть какая-то фундаментальная причина, кроме физики их формирования и физики, которая их поддерживает.

Планеты-гиганты образуются в основном из водорода и гелия. Они не состоят из более тяжелых элементов, потому что их недостаточно в протопланетном диске. Маленькие планеты состоят из более тяжелых и менее летучих элементов, которые сконденсировались ближе к своим звездам. Они слишком горячие, а их гравитация слишком мала, чтобы удерживать водород и гелий.

Учитывая это, мы могли бы ожидать, что планеты будут следовать двум различным траекториям массы и радиуса. Меньшие планеты в основном имеют плотность того, из чего они сделаны, лишь с небольшим сжатием, которое зависит от их массы. Газовые гиганты подчиняются электронно-вырожденному уравнению состояния, которое приближается к$n=1.5$политропа. В режиме относительно низкой плотности (по сравнению с белым карликом) это приводит к почти независимому от массы радиусу и, следовательно, к плотности, которая линейно растет с массой.

Два режима ясно видны на графике зависимости массы экзопланет.

Как видите, некоторые экзопланеты намного плотнее, и общий разброс плотности составляет более двух порядков. Таким образом, причина, по которой планеты в Солнечной системе имеют одинаковую плотность, заключается в том, что (а) камни имеют одинаковую плотность, а каменистые планеты, как правило, недостаточно массивны, чтобы сжимать их намного сильнее, и (б) газовые гиганты в Солнечной системе не очень массивны. и маломассивный конец газовых гигантов , которые могут образоваться, имеют среднюю плотность, подобную скалам.

Можно продолжить обсуждение того, почему (а) и (б) верны, к которым я могу добавить.

Учитывая эту таблицу , наиболее значительными факторами, влияющими на плотность элементарного вещества (вещества, организованного в элементы), по-видимому, являются

1) является ли вещество газообразным или нет, что, по-видимому, составляет около 50.

2) среднее число нуклонов в молекуле газа (коэффициент около 100) или негаза (коэффициент примерно 50)

Поэтому предполагается, что формирование Солнечной системы и планет произошло либо при относительно случайном распределении этих факторов; и даже некоторые эффекты, благодаря которым они действуют компенсаторным образом (например, описанные ниже).

По составу наиболее распространенными элементами в Солнечной системе являются водород и гелий, составляющие 98% по массе. Из-за образования элементов в ранней Вселенной самые распространенные элементы находятся в диапазоне атомной массы от 1 до 28 (а четные элементы более распространены) (как показано здесь ). Таким образом, изменение плотности выше 30 из-за состава было бы удивительно несовместимым с нашей теорией формирования Вселенной.

Для удержания более легких элементов требуется более сильное гравитационное поле, поэтому их могут удерживать только более крупные планеты. [Например, это одна из причин, по которой нам нужно быть осторожными при использовании гелия на Земле, поскольку он инертен, не удерживается в соединениях, а если высвобождается, попадает в верхние слои атмосферы, где его сдувает солнечный ветер.]

Следовательно, меньшие планеты, как правило, удерживают в основном более тяжелые элементы/молекулы и более плотные. Венера интересна тем, что это маленькая внутренняя планета, но у нее есть атмосфера. Его оставшаяся атмосфера в основном$C0_2$, который имеет высокую молекулярную атомную массу 44 и примерно в 100 раз массивнее и плотнее Земли.

Помимо больших планет на более крупных солнечных орбитах, содержащих более легкие элементы, у них есть недра, которые находятся под огромным давлением; достаточно высока, чтобы сжижать некоторые легкие газы. Например, предполагается, что Юпитер имеет слой жидкого металлического водорода внутри, который простирается примерно на 78% радиуса. Жидкий водород почти в 800 раз плотнее газа (70,85 г/л по сравнению с 0,08988 г/л). Для сравнения, самый тяжелый элемент, железо, имеет плотность около 7800 г/л (обычно указывается как$7.8g/cm^3$), так что это заставляет задуматься двигаться в правильном направлении, но, вероятно, здесь задействованы и другие эффекты. Примечание. Железо также является самым распространенным элементом на Земле, составляя около 38% ее массы.

Резюме

Один эффект заключается в том, что если тело достаточно массивно, чтобы удерживать молекулы легких элементов, то оно, вероятно, очень велико, поскольку легкие элементы наиболее распространены. Следовательно, вполне вероятно, что внутреннее давление превратит значительную часть этих молекул в жидкость, приблизив общую плотность к плотности меньших «каменистых» планет, которые сохранили только твердые вещества (и, возможно, очень тяжелые молекулярные газы).