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É por isso que a Terra, surpreendentemente, é o objeto mais denso do nosso Sistema Solar

Os oito planetas do nosso Sistema Solar e o nosso Sol, para escalar em tamanho, mas não em termos de distâncias orbitais. Observe que esses são os únicos oito objetos que atendem a todos os três critérios planetários estabelecidos pela IAU e que orbitam ao redor do Sol dentro de apenas alguns graus do mesmo plano um do outro. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO WP)

Não somos feitos dos elementos mais densos, mas mesmo assim somos o planeta mais denso. Aqui está o porquê.

De todos os planetas, planetas anões, luas, asteróides e muito mais no Sistema Solar, apenas um objeto pode ser o mais denso. Você pode pensar, com base no fato de que a gravitação é um processo descontrolado que apenas se desenvolve em um grau cada vez maior, que os objetos mais massivos de todas as coisas, como Júpiter ou mesmo o Sol, seriam mais densos, mas são menos do que um quarto da densidade da Terra.

Você pode seguir um caminho diferente e pensar que os mundos que são feitos da maior proporção dos elementos mais pesados ​​​​seriam os mais densos também. Se fosse esse o caso, no entanto, Mercúrio seria o mundo mais denso, e não é. Em vez disso, de todos os grandes objetos conhecidos no Sistema Solar, a Terra é o mais denso de todos. Aqui está a surpreendente ciência do porquê.

Uma comparação dos planetas do Sistema Solar por tamanho. O raio da Terra é apenas 5% maior que Vênus, mas Urano e Netuno têm quatro vezes o raio do nosso mundo. (LSMPASCAL DO WIKIMEDIA COMMONS)

A densidade é uma das propriedades não fundamentais da matéria mais simples que você pode imaginar. Todo objeto que existe, do microscópico ao astronômico, tem uma certa quantidade de energia em repouso intrínseca a ele: o que comumente chamamos de massa. Esses objetos também ocupam uma determinada quantidade de espaço em três dimensões: o que conhecemos como volume. A densidade é apenas a razão dessas duas propriedades: a massa de um objeto dividida por seu volume.

Nosso próprio Sistema Solar foi formado há cerca de 4,5 bilhões de anos da mesma forma que todos os sistemas solares são formados: a partir de uma nuvem de gás em uma região de formação de estrelas que se contraiu e entrou em colapso sob sua própria gravidade. Recentemente, graças a observatórios como o ALMA (Atacama Large Millimetre/submillimetre Array), fomos capazes de visualizar e analisar diretamente os discos protoplanetários que se formam em torno dessas estrelas recém-nascidas pela primeira vez.

O disco protoplanetário em torno da jovem estrela, HL Tauri, fotografado pelo ALMA. As lacunas no disco indicam a presença de novos planetas, enquanto as medições espectroscópicas revelam um grande número e diversidade de compostos orgânicos contendo carbono. (ALMA (ESO/NAOJ/NRAO))

Algumas das características de uma imagem como esta são impressionantes. Você pode ver um disco grande e estendido em torno de uma estrela recém-formada: o material que dará origem a planetas, luas, asteróides, um cinturão externo (semelhante a Kuiper), etc. objetos como planetas já estão se formando. Você pode ver um gradiente de temperatura codificado por cores, onde as regiões internas são mais quentes e as regiões externas são mais frias.

Mas o que você não pode ver visualmente em uma imagem como essa é a presença e abundância dos diferentes tipos de materiais. Embora moléculas complexas e até compostos orgânicos sejam encontrados em sistemas como esse, existem três efeitos importantes que trabalham juntos para determinar quais elementos acabam em quais locais do Sistema Solar isso resulta.

Uma ilustração de um disco protoplanetário, onde planetas e planetesimais se formam primeiro, criando “lacunas” no disco quando o fazem. Assim que a proto-estrela central fica quente o suficiente, ela começa a expelir os elementos mais leves dos sistemas protoplantares circundantes. Um planeta como Júpiter ou Saturno tem gravidade suficiente para manter os elementos mais leves como hidrogênio e hélio, mas um mundo de massa menor como a Terra não. (NAOJ)

O primeiro fator é a gravitação, que é sempre uma força atrativa. Em um disco de matéria composto de partículas minúsculas, as que estão mais próximas do interior do disco giram em torno do centro do sistema solar a velocidades um pouco mais altas do que as que estão um pouco mais distantes, causando colisões entre as partículas à medida que passam uma pela outra. esta dança orbital.

Onde partículas ligeiramente maiores já se formaram, ou onde partículas menores se unem para formar partículas maiores, a força gravitacional torna-se um pouco maior, pois ter uma região superdensa atrai preferencialmente cada vez mais massa circundante. Ao longo de milhares a milhões a dezenas de milhões de anos, isso levará à formação descontrolada de planetas em quaisquer locais que acumulem mais massa em um local mais rápido.

Um esquema de um disco protoplanetário, mostrando as Linhas Fuligem e Geada. Para uma estrela como o Sol, as estimativas colocam a Linha de Gelo em algo em torno de três vezes a distância inicial Terra-Sol, enquanto a Linha de Fuligem está significativamente mais longe. A localização exata dessas linhas no passado do nosso Sistema Solar é difícil de definir. (NASA / JPL-CALTECH, ANOTAÇÕES DO INVADER XAN)

O segundo fator é a temperatura da estrela central à medida que ela evolui de seu pré-nascimento como nuvens moleculares, passando por sua fase de proto-estrela, até sua longa vida como estrela de pleno direito. Na região interior mais próxima da estrela, apenas os elementos mais pesados ​​de todos podem sobreviver, pois todo o resto é muito leve para ser destruído pelo intenso calor e radiação. Os planetas mais interiores serão feitos apenas de metais.

Fora disso, há uma linha de geada (sem gelos voláteis no interior, mas com gelos voláteis além disso), onde nossos planetas terrestres se formaram dentro da linha de geada. Embora essas linhas sejam interessantes, também nos ensinam que há um gradiente de material que se forma no sistema solar: os elementos mais pesados ​​são encontrados na maior proporção mais próximos da estrela central, enquanto os elementos mais pesados ​​são menos abundantes mais distantes.

À medida que os sistemas solares evoluem em geral, os materiais voláteis são evaporados, os planetas acumulam matéria, os planetesimais se fundem ou interagem gravitacionalmente e ejetam corpos, e as órbitas migram para configurações estáveis. Os planetas gigantes gasosos podem dominar gravitacionalmente a dinâmica do nosso Sistema Solar, mas os planetas rochosos internos são onde toda a bioquímica interessante está acontecendo, até onde sabemos. Em outros sistemas solares, a história pode ser muito diferente, dependendo de onde os vários planetas e luas acabam migrando. (ASTROMARK DO USUÁRIO WIKIMEDIA COMMONS)

E o terceiro e último elemento é que há uma intrincada dança gravitacional que ocorre ao longo do tempo. Os planetas migram. As estrelas aquecem e os gelos são retirados onde antes eram permitidos. Planetas que podem ter orbitado nossa estrela em estágios anteriores podem ser ejetados, lançados no Sol ou acionados para colidir e/ou se fundir com outros mundos.

E se você chegar muito perto da estrela que ancora seu sistema solar, as camadas externas da atmosfera da estrela podem fornecer atrito suficiente para desestabilizar sua órbita, espiralando para a própria estrela central. Olhando para o nosso Sistema Solar hoje, 4,5 bilhões de anos depois que tudo se formou, podemos concluir muitas coisas sobre como as coisas devem ter sido nos estágios iniciais. Podemos montar um quadro geral do que ocorreu para criar as coisas como elas são hoje.

Uma ilustração de como pode ser uma sinestia: um anel inchado que envolve um planeta após um impacto de grande momento angular de alta energia. Pensa-se agora que a nossa Lua foi formada por uma colisão inicial com a Terra que criou tal fenômeno. (SARAH STEWART/UC DAVIS/NASA)

Mas tudo o que nos resta são os sobreviventes. O que vemos segue um padrão geral que é muito consistente com a ideia de que nossos oito planetas se formaram aproximadamente na ordem em que estão hoje: Mercúrio como o mundo mais interno, seguido por Vênus, Terra, Marte, o cinturão de asteróides e depois os quatro gases gigantes, cada um com seu próprio sistema lunar, o cinturão de Kuiper e, finalmente, a nuvem de Oort.

Se tudo fosse baseado puramente nos elementos que os compõem, Mercúrio seria o planeta mais denso. Mercúrio tem uma proporção maior de elementos que são mais altos na tabela periódica em comparação com qualquer outro mundo conhecido no Sistema Solar. Mesmo os asteróides que tiveram seus gelos voláteis fervidos não são tão densos quanto Mercúrio é baseado apenas em elementos. Vênus é o número 2, a Terra é o número 3, seguido por Marte, alguns asteróides e, em seguida, a lua mais interna de Júpiter: Io.

Densidades de vários corpos no Sistema Solar. Observe a relação entre densidade e distância do Sol, a semelhança de Tritão com Plutão, e como até mesmo os satélites de Júpiter, de Io a Calisto, variam em densidade tão tremendamente. (KARIM KHAIDAROV)

Mas não é apenas a composição da matéria-prima de um mundo que determina sua densidade. Há também a questão da compressão gravitacional, que tem um efeito maior para os mundos quanto maiores forem suas massas. Isso é algo que aprendemos muito estudando planetas além do nosso próprio Sistema Solar, pois eles nos ensinaram quais são as diferentes categorias de exoplanetas. Isso nos permitiu inferir quais processos físicos estão em jogo que levam aos mundos que observamos.

Se você estiver abaixo de cerca de duas massas terrestres, será um planeta rochoso, semelhante ao terrestre, com planetas de maior massa experimentando mais compressão gravitacional. Acima disso, você começa a se agarrar a um envelope gasoso de matéria, que incha seu mundo e diminui sua densidade tremendamente à medida que você aumenta de massa, explicando por que Saturno é o planeta menos denso. Acima de outro limiar, a compressão gravitacional assume novamente a liderança; Saturno tem 85% do tamanho físico de Júpiter, mas apenas um terço da massa. E além de outro limiar, a fusão nuclear se inflama, transformando um suposto planeta em uma estrela.

O melhor esquema de classificação de planetas baseado em evidências é categorizá-los como rochosos, semelhantes a Netuno, semelhantes a Júpiter ou semelhantes a estrelas. Observe que a 'linha' que os planetas seguem até atingirem ~ 2 massas terrestres sempre permanece abaixo de todos os outros mundos no gráfico quando você continua a extrapolação. (CHEN E KIPPING, 2016, VIA HTTPS://ARXIV.ORG/PDF/1603.08614V2.PDF )

Se tivéssemos um mundo como Júpiter que estivesse perto o suficiente do Sol, sua atmosfera seria arrancada, revelando um núcleo que certamente seria mais denso do que qualquer um dos planetas do nosso Sistema Solar hoje. Os elementos mais densos e pesados ​​sempre afundam no núcleo durante a formação do planeta, e a gravitação comprime esse núcleo para ficar ainda mais denso do que seria de outra forma. Mas não temos nenhum mundo assim em nosso quintal.

Em vez disso, temos apenas um planeta terrestre rochoso relativamente pesado: a Terra, o mundo mais pesado do nosso Sistema Solar sem um grande envelope gasoso. Devido ao poder de sua própria gravitação, a Terra é comprimida em alguns por cento acima do que sua densidade teria sido sem tanta massa. A diferença é suficiente para superar o fato de que é feito de elementos mais leves em geral do que Mercúrio (em algum lugar entre 2-5%) para torná-lo cerca de 2% mais denso que o Mercúrio em geral.

Até onde sabemos e com as melhores medições à nossa disposição, determinamos que a Terra é o planeta mais denso de todos no Sistema Solar: cerca de 2% mais denso que Mercúrio e cerca de 5% mais denso que Vênus. Nenhum outro planeta, lua ou mesmo asteróide chega perto. (NASA)

Se os elementos dos quais você foi feito fossem a única métrica que importasse para a densidade, então Mercúrio seria o planeta mais denso do Sistema Solar sem dúvida. Sem um oceano ou atmosfera de baixa densidade, e feito de elementos mais pesados ​​na tabela periódica (em média) do que qualquer outro objeto em nossa vizinhança, levaria o bolo. E, no entanto, a Terra, quase três vezes mais distante do Sol, feita de materiais mais leves e com uma atmosfera substancial, avança com uma densidade 2% maior.

A explicação? A Terra tem massa suficiente para que sua autocompressão devido à gravitação seja significativa: quase tão significativa quanto você pode obter antes de começar a se agarrar a um grande e volátil envelope de gases. A Terra está mais perto desse limite do que qualquer outra coisa em nosso Sistema Solar, e a combinação de sua composição relativamente densa e sua enorme autogravidade, já que somos 18 vezes mais massivos que Mercúrio, nos coloca sozinho como o objeto mais denso em nosso Sistema Solar. Sistema.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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