¿Cómo se formó Júpiter donde está?

Es a la distancia de Júpiter y más allá que los hielos pudieron formarse a partir del disco de material que rodea al sol primitivo. Vaya mucho más adentro y hay demasiada energía del sol para que permanezcan como sólidos (y se sublimarán en gases); por eso los asteroides son principalmente rocas y metales. Entonces, a esta distancia, más materiales del disco planetario pueden formar los planetesimales base.

En este punto, su pregunta se responde en gran parte mediante una consideración geométrica (o dos) y una de las leyes de Kepler.

En primer lugar, la consideración geométrica. un circulo de radio$r$tiene area$\pi r^2$. Cuanto mayor sea el radio, más área. El material para Júpiter (o cualquier otro planeta) provino de un anillo: material fuera de un círculo, pero dentro de un círculo un poco más grande. Este anillo tenía mucha más área para los planetas exteriores que para los planetas interiores, por lo que podía contener mucha más masa.

Por supuesto, eso podría hacernos pensar que Júpiter no debería ser el más grande de los gigantes gaseosos: después de todo, es el más cercano de todos al sol. Sin embargo, la densidad del disco no tenía por qué haber sido aproximadamente constante en todas estas regiones. Muy posiblemente la densidad era tal que la región de Júpiter tenía más masa que las áreas de los otros planetas. Como señala la respuesta de HDE (publicada cuando estaba terminando esto), estos hielos probablemente también ayudaron a evitar que los materiales pasaran al sistema solar interior, manteniendo una densidad más alta de lo que cabría esperar en el sistema solar interior, además de hacer que los materiales se una especie de "represa" justo alrededor de la órbita de Júpiter.

Ahora para la ley de Kepler. Cuanto más te alejes del sol, más lento será tu período orbital. Escogiendo las unidades correctas, tenemos$P^2=a^3$, donde$P$es el período medido en años, y$a$es el semieje mayor de la órbita medido en AU. Cuanto más te alejas, más lento giras alrededor del sol; de hecho, no es solo que te lleva un tiempo total más largo, sino que tu velocidad real disminuye. También podemos ver esto como una consecuencia de la ley de la gravedad de Newton. En el punto más alejado de Júpiter del Sol, la velocidad de escape es un poco más de 18 km/s. A la distancia máxima de Saturno, la velocidad de escape cae a unos 13,25 km/s. Entonces, las cosas pueden ir aproximadamente un 35% más rápido dentro de la órbita de Júpiter que cerca de la de Saturno, y tienen menos distancia que recorrer para completar una órbita.

Lo que esto significa es que a los planetesimales les lleva más tiempo acercarse lo suficiente entre sí para acumularse juntos a medida que avanza, y hay un tiempo medio más largo entre colisiones.

Ahora, eventualmente, el Sol "se encendió" y comenzó a azotar el espacio con su viento solar (antes de eso, el calor provenía principalmente de la radiación térmica de la contracción gravitatoria del sol). Esto terminó eliminando la mayoría de las partículas no acumuladas del sistema solar, deteniendo el crecimiento planetario (y eliminó porciones de las atmósferas existentes; una Tierra muy joven probablemente tenía mucho H y He en su atmósfera, hasta que el sol la golpeó con suficiente energía para derribar cualquiera que no esté encerrado en las rocas).

Entonces, Júpiter probablemente estaba en una situación un poco ridícula. La densidad promedio de la región en la que se formó fue probablemente más alta que donde se formaron los otros gigantes, estaba en el lugar perfecto para que muchos materiales comenzaran a acumularse temprano, y el proceso de acumulación habría sido más rápido. Entonces, Júpiter está creciendo más rápido, y esto le da una ventaja competitiva: cuanto más grandes son los planetesimales en crecimiento, más se extiende su influencia y más rápido pueden atraer más materiales y, posteriormente, interferir con el crecimiento de otros planetas (o planetesimales). En algún lugar alrededor de una masa de 10 a 15 masas terrestres, los gigantes pueden comenzar a atraer grandes cantidades de gases de hidrógeno y helio. Y, de nuevo, es probable que Júpiter golpee esta masa mucho antes que los otros gigantes y tenga más material del que extraer,

Aquí hay algo de Wikipedia (énfasis mío):

Los planetas gigantes (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) se formaron más allá, más allá de la línea de congelación, el punto entre las órbitas de Marte y Júpiter, donde el material es lo suficientemente frío como para que los compuestos helados volátiles permanezcan sólidos. Los hielos que formaron los planetas jovianos eran más abundantes que los metales y silicatos que formaron los planetas terrestres, lo que permitió que los planetas gigantes crecieran lo suficientemente masivos como para capturar hidrógeno y helio, los elementos más livianos y abundantes. Los planetesimales más allá de la línea de congelación acumularon hasta 4 M⊕ en unos 3 millones de años. Hoy, los cuatro planetas gigantes comprenden poco menos del 99% de toda la masa que orbita alrededor del Sol.Los teóricos creen que no es casualidad que Júpiter se encuentre más allá de la línea de congelación. Debido a que la línea de escarcha acumuló grandes cantidades de agua a través de la evaporación del material helado que caía, creó una región de menor presión que aumentó la velocidad de las partículas de polvo en órbita y detuvo su movimiento hacia el Sol. En efecto, la línea de escarcha actuó como una barrera que hizo que el material se acumulara rápidamente a ~5 UA del Sol. Este exceso de material se fusionó en un gran embrión (o núcleo) del orden de 10 M$_⊕$, que comenzó a acumular una envoltura a través de la acumulación de gas del disco circundante a un ritmo cada vez mayor.

Citando el artículo real de Wikipedia sobre la línea de escarcha :

La temperatura más baja en la nebulosa más allá de la línea de congelación hace que muchos más granos sólidos estén disponibles para la acumulación en planetesimales y eventualmente en planetas. Por lo tanto, la línea de congelación separa los planetas terrestres de los planetas gigantes del Sistema Solar.

Cualquier gigante que se encuentre dentro de la línea de congelación en los sistemas estelares probablemente migró hacia el interior después de las interacciones con el disco protoplanetario o, como sucedió en nuestro Sistema Solar (pero no causó que Júpiter se moviera tanto hacia el interior), con otros planetas gigantes. El modelo de Niza describe tales incidentes