¿Cómo obtienen los planetas y el sol su giro inicial?

Para construir sobre la respuesta de Martin Beckett (especialmente porque no estoy seguro de qué tan familiarizado está con la física);

Actualmente creemos que las estrellas se forman cuando los objetos conocidos como nubes moleculares (que son, como uno podría suponer, nubes de moléculas en el espacio, compuestas principalmente de hidrógeno) colapsan. Es importante tener en cuenta que estas nubes no son 'estáticas', tienen algún tipo de movimiento, incluido algún tipo de 'rotación promedio', lo que quiere decir que, en general, la nube gira (generalmente con bastante lentitud).

Como se mencionó en la respuesta de Martin Beckett, el momento angular se conserva; el ejemplo típico a dar es imaginar una patinadora artística girando, cuando acerca sus brazos al cuerpo, gira más rápido. Si no cree esto y tiene acceso a una silla de oficina, es fácil convencerse (y posiblemente lesionarse también...). Esto también es válido para la nube molecular. A medida que colapsa sobre sí mismo, comienza a girar cada vez más rápido, formando un disco. La mayor parte de esto se fusiona en una gran bola de hidrógeno en el centro, que eventualmente formará una estrella. La materia en el disco lentamente comienza a agruparse más y más para formar los planetas (es un poco más complicado que esto, pero si estás interesado, es un tema fácil de leer). De manera similar a cómo la nube en general comienza a girar cada vez más rápido,

La publicación anterior ha cubierto sus otras preguntas.

El momento angular se conserva, por lo que cualquier pequeña rotación inicial que tenía la bola de gas original se vuelve más rápida a medida que el gas colapsa en una estrella y un disco de planetas.

Los planetas cerca del sol giran lentamente por la misma razón por la que la luna siempre mira hacia el mismo lado de la Tierra: freno de marea .

Venus probablemente recibió un golpe de algún trozo de roca / protoplaneta en algún momento temprano en su vida que cambió su rotación. Un evento similar separó la luna de la Tierra.

¿Cómo obtienen los planetas y el sol su rotación inicial?

Una respuesta simple es la conservación del momento angular. La respuesta correcta es que la respuesta simple es demasiado simple.

El Sol Las
estrellas se forman a partir de una nube de gas que sufre un colapso gravitacional. La nube colapsa en un disco protoplanetario cuando la protoestrella comienza a crecer. La conservación del momento angular dicta que la protoestrella y el disco mantengan un momento angular constante: el disco y la estrella giran alrededor de un eje común. Esto es lo que vemos ahora en nuestro sistema solar: una estrella que gira lentamente cuyo eje de rotación es más o menos el mismo que el eje orbital de las órbitas de los planetas.

Hay un problema con esta agradable explicación simple: mientras que el Sol representa el 99,87% de la masa total del sistema solar, el Sol representa muy poco del momento angular total del sistema solar. Este "problema del momento angular" (p. ej., véase Richard Larson, "El momento angular y la formación de estrellas y agujeros negros", Reports on Progress in Physics 73.1 (2010): 014901) es aún mayor durante el proceso de formación. El momento angular total de una nube de gas típica es varios órdenes de magnitud mayor que el mayor momento angular posible que podría sostener una estrella, para que no se rompa. Una protoestrella necesita perder impulso angular a medida que crece. No tiene mucho sentido invocar la conservación del momento angular en un sistema que no conserva el momento angular. Sin embargo, varios procesos propuestos para este desprendimiento mantienen más o menos el eje de rotación apuntando más o menos en la misma dirección.

Los planetas
terrestres Se supone que los planetas terrestres se forman a partir de una serie de colisiones, comenzando con pequeños cúmulos de polvo que eventualmente se convierten en rocas, luego en protoplanetas, luego en embriones planetarios y finalmente en planetas. En esas últimas colisiones entre pares de grandes embriones planetarios, el momento angular debido a la velocidad relativa de esas últimas colisiones binarias muy probablemente supere al momento angular debido a la rotación. La rotación inicial de los planetas terrestres es el resultado de la última gran colisión. El resultado es algo aleatorio.

Mercurio
Mercurio es un caso especial. Esencialmente está bloqueado por mareas al Sol. (Más precisamente, está en una resonancia de giro-órbita de 3:2). El par de gradiente de gravedad muy fuerte ejercido sobre Mercurio por el Sol habría superado cualquier rotación inicial razonable. Cualquiera que sea la velocidad angular de rotación inicial que tenía Mercurio, se fue hace mucho tiempo. No se sabe cuál fue la tasa de rotación inicial o el eje de rotación de Mercurio.

Venus
Venus es otro caso especial. Gira muy lentamente y su rotación es retrógrada. El eje de rotación de Venus está casi al revés (oblicuidad de 177°). Durante mucho tiempo, la mayoría de los científicos solares pensaron que esto era una consecuencia de la última gran cosa que golpeó a Venus (ver arriba). Hay dos problemas con una colisión gigante para explicar la rotación de Venus. Una es que una colisión que haga que Venus gire casi exactamente en sentido opuesto a su eje orbital es bastante improbable. Un problema aún mayor es que Venus tiene una atmósfera muy espesa. Un último gran golpe lo suficientemente grande como para hacer que Venus se voltee de lado probablemente habría expulsado la atmósfera de Venus. Una buena solución es que la rotación invertida de Venus es una consecuencia natural de la atmósfera muy espesa de Venus. PorAlexandre Correia y Jacques Laskar, "Los cuatro estados finales de rotación de Venus", Nature 411.6839 (2001): 767-770 , Venus está cerca de estar en uno de (y uno de los más probables) cuatro posibles estados finales de rotación. No se necesita un último gran golpe para explicar la rotación de Venus. Cualquiera que sea la rotación inicial que tuvo, se fue hace mucho tiempo.

La Tierra
La Tierra tiene una luna extremadamente grande. Esto hace que la Tierra sea otro caso especial. La hipótesis dominante sobre la formación de la Luna es que es consecuencia de un impacto gigante oblicuo entre la proto-Tierra y un embrión planetario del tamaño de Marte que ocurrió tarde en la formación del sistema solar. Se desconoce la rotación de la proto-Tierra antes de ese impacto gigante; casi todo el momento angular es consecuencia de ese impacto gigante oblicuo.

Si esta hipótesis es correcta, la Tierra habría rotado significativamente más rápido que la tasa de rotación actual de una rotación cada 24 horas, en lugar de rotar una vez cada cuatro a seis horas. Nuestra tasa de rotación actual es el resultado de una transferencia gradual del momento angular de la rotación de la Tierra a la órbita de la Luna. Hay signos de esta transferencia en los fósiles y en las rocas que muestran que la Tierra, de hecho, giró más rápido de lo que lo hace ahora.

Marte
Marte es el planeta terrestre que está más alejado del Sol, no tiene una atmósfera espesa y no tiene una luna grande. Marte parece haber estado sujeto a algunos golpes tardíos bastante grandes, tal vez incluso uno extremadamente grande que convierte a casi todo el hemisferio norte de Marte en un gran cráter de impacto. Quizás Marte sea el único planeta terrestre cuya rotación actual está cerca de su rotación primordial.

Sin embargo, Marte está bastante cerca de Júpiter, y si el modelo Grand Tack es correcto, estuvo aún más cerca de Júpiter en el pasado lejano. Existe una fuerte evidencia de que la oblicuidad (inclinación axial) de Marte ha sufrido variaciones caóticas en el pasado. Marte es otro caso especial.

Los planetas
gigantes Se cree que los planetas gigantes se formaron inicialmente por un proceso similar (pero más rápido que) a la forma en que se formaron los planetas terrestres. Ese núcleo rocoso/helado inicial habría orbitado el protosol un poco más rápido que el gas y el polvo en las inmediaciones. Esto permitió a los protoplanetas gigantes barrer gas, hielo y polvo del disco protoplanetario. La densidad de las cosas que componían el disco era cualquier cosa menos uniforme, típicamente más alta hacia la protoestrella. El barrido de esta densidad no uniforme habría impartido un par de torsión al protoplaneta, superando cualquier giro aleatorio que hubiera tenido el núcleo. Los cuatro planetas gigantes giran bastante rápido y, a excepción de Urano, giran más o menos con la órbita del planeta.

Júpiter
La inclinación axial de Júpiter es bastante pequeña, completamente consistente con el modelo de formación planetaria dominante. La rotación de Júpiter es la menos sorprendente de los planetas gigantes, probablemente porque Júpiter es el más masivo de los planetas gigantes.

Saturno
Saturno es el hermano menor de Júpiter, un gigante gaseoso que gira bastante rápido. La rápida rotación de Saturno es consistente con el modelo de formación planetaria. Su oblicuidad de 26,73° es un poco más difícil de explicar. Quizás hubo alguna interacción con uno de los otros planetas gigantes (p. ej., véase William Ward y Douglas Hamilton, "Tilting saturn. I. Analytic model", The Astronomical Journal 128.5 (2004): 2501 ), o quizás con un planeta expulsado desde entonces. quinto planeta gigante.

Urano
Urano es el extraño planeta entre los planetas gigantes. La gran inclinación axial de Urano solo es superada por la de Venus. Hay una serie de preguntas y respuestas sobre la inclinación axial de Urano en este sitio y en los sitios hermanos de intercambio de pilas. Por ejemplo, vea ¿Por qué está inclinado el eje de rotación de Urano? y ¿Cuál es la teoría aceptada de por qué el eje de Urano está tan inclinado? . Además de los modelos de colisión descritos en las respuestas a esas preguntas, se ha propuesto un modelo sin colisiones; véase Gwenaël Boué y Jacques Laskar, "Un escenario sin colisiones para la inclinación de Urano", The Astrophysical Journal Letters 712.1 (2010): L44 .

Neptuno
Neptuno es hermano de Urano. Ambos son gigantes de hielo con masas y velocidades de rotación muy similares. Neptuno no tiene la extraña inclinación axial de Urano. Sin embargo, tiene una inclinación axial que no es completamente consistente con el modelo de formación planetaria. Una explicación es la misma que para Saturno; véase más arriba.

Resumen
Invocar la conservación del momento angular para explicar la rotación del Sol y los planetas es una buena respuesta simple, pero quizás demasiado simple. Explicar las rotaciones iniciales del Sol y los planetas y la evolución posterior no es trivial, y quedan varias preguntas abiertas. Editorial: No hay nada de malo en tener preguntas abiertas en ciencia. De hecho, tener esas preguntas abiertas es algo bueno. Es el núcleo de lo que hace que la ciencia sea ciencia .

La Q1 se volvió a preguntar recientemente (y se cerró rápidamente) y creo que hay una ilustración simple e importante que también merece agregarse a esta pregunta anterior.

Considere la mayor parte del protoplaneta rodeada de más material, que está siendo atraído hacia él. Considere también que el material alrededor de esta región relativamente pequeña en el disco de acreción tiene una velocidad aproximadamente constante$v$: a medida que el material converge hacia el centro de atracción local, la conservación del momento angular

• aumenta la velocidad del material que originalmente orbita en un radio mayor y
• disminuye la velocidad del material que originalmente orbita en un radio más pequeño.

Lo que significa se ve entonces más claramente en la referencia de marco del protoplaneta: una rotación alrededor del centro de atracción local, es decir, el protoplaneta gira.

_{(Soy el autor de esta imagen, pero estoy bastante seguro de que no se me ocurrió la idea; sin embargo, no pude encontrarla en una búsqueda rápida, así que si alguien conoce una referencia que contenga esta explicación ( o si está mal!), por favor, comparte en un comentario.)}

Si dejamos fuera a la Tierra por un momento, parece que los planetas rocosos se ralentizan linealmente en sus períodos de rotación, cuanto más se acercan al Sol. La Tierra es una anomalía probablemente debido a que la Luna ha acelerado considerablemente su rotación. Según mi gráfico de esta relación lineal entre la duración del 'día' y la distancia al Sol, una Tierra sin la Luna tendría días de 1.960 horas de duración. Entonces el Sol debe tener alguna influencia en los períodos de rotación de cada planeta.