¿Cuál es la esfera más grande de agua líquida que podría existir en el espacio unida por su propia gravedad? [duplicar]

Es casi seguro que existen planetas hechos principalmente de agua, y al menos uno puede haber sido detectado .

Sin embargo, tales cuerpos no estarán hechos completamente de líquido. De hecho, serán en su mayoría sólidos, incluso si la temperatura es muy alta. Esto se debe a que el agua puede formar más de una forma de hielo. El tipo con el que estamos familiarizados se forma a bajas temperaturas y es menos denso que el agua. Pero hay varios otros tipos que se forman a presiones muy altas. Estos helados "exóticos" son más pesados ​​que el agua líquida, por lo que se hundirán hasta el fondo. Puede tener una idea de las presiones involucradas mirando un diagrama de fase del agua, por ejemplo, aquí o aquí .

Los océanos de la Tierra no son lo suficientemente profundos para que existan tales presiones, pero si todo el planeta estuviera hecho de agua, el planeta estaría compuesto principalmente de hielos "exóticos", cubiertos por una capa relativamente delgada de líquido (aunque esto aún sería un mucho más profundo que los océanos de la Tierra). De hecho, Europa , Titán y muchas de las lunas del sistema solar exterior son probablemente más o menos así, excepto que tienen una capa de hielo de agua normal sobre el océano líquido, porque son muy frías.

Otra respuesta menciona la posibilidad de que haya una transición suave de vapor de agua a agua líquida, en lugar de una superficie oceánica clara como la que hay en la Tierra. Si esto es cierto o no depende de la temperatura. El punto crítico para el agua es aproximadamente$647\,\mathrm{K}$, o$374^\circ\mathrm{C}$. Si la temperatura es más alta entonces no habrá una transición de fase entre la atmósfera y el líquido, pero si es más baja entonces sí, tal como ocurre en la Tierra.

Con esos detalles fuera del camino, podemos abordar la cuestión de la estabilidad. Su pregunta original era cuál es la mayor masa de agua líquida que puede mantenerse unida por su propia gravedad. Sin embargo, no creo que tal cuerpo pueda existir en absoluto. Si lo hiciera, tendría que ser bastante pequeño para evitar la formación de hielos exóticos en su interior. Pero eso significaría que su gravedad sería bastante baja, por lo que no tendría atmósfera. La baja presión en la superficie haría que el agua se evaporara o hierva, y las moléculas del gas resultante fácilmente se moverían lo suficientemente rápido como para escapar de la atracción gravitatoria del cuerpo. (Por supuesto, las cosas son diferentes si permitimos que la superficie se congele, vea las lunas exteriores del sistema solar, pero supongo que está interesado específicamente en un cuerpo con una superficie líquida).

Sin embargo, si permitimos que el interior esté compuesto por hielos exóticos en lugar de líquido, se vuelve mucho más fácil. Entonces todo lo que necesitamos es que sea lo suficientemente grande como para que su velocidad de escape sea mayor que la velocidad de las moléculas de vapor de agua. Cualquier cosa desde alrededor del tamaño de la Tierra hacia arriba debería funcionar. No creo que haya un límite superior para el tamaño, excepto que si es muy, muy grande, los núcleos de su núcleo comenzarán a fusionarse y se convertirá en una estrella.

Usted menciona que la radiación ultravioleta causa una pérdida de agua, y este es un problema para un cuerpo del tamaño de la Tierra. La radiación ultravioleta puede dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, y los átomos de hidrógeno tienen una velocidad mucho mayor, lo que les facilita escapar al espacio. En la Tierra tenemos la suerte de tener una atmósfera oxidante, que tiende a convertir los átomos de hidrógeno en moléculas antes de que puedan escapar. Si no fuera por eso, los océanos de la Tierra ya habrían desaparecido.

Sin embargo, si empezamos con un puro$\mathrm{H_2O}$planeta que es lo suficientemente grande, eventualmente también tendrá una atmósfera de oxígeno. No por la fotosíntesis, sino simplemente porque a medida que el hidrógeno escapa, deja atrás el oxígeno. Dado el tiempo suficiente, esperaría que esto conduzca a una atmósfera protectora de oxígeno que evite un mayor escape de hidrógeno.

El único detalle que queda es cómo obtener una temperatura de superficie que esté en el rango correcto para que la superficie sea líquida. Esto depende de la distancia a la estrella, pero también de la composición de la atmósfera. En la Tierra, la composición de la atmósfera se debe principalmente a la acción de la biosfera, que mantiene la temperatura regulada en el rango justo para que el agua sea líquida. Tal vez sea posible imaginar la vida en un mundo acuático de este tipo, en forma de organismos fotosintetizadores similares a las algas, que podrían desempeñar un papel similar.

Un planeta todo en agua líquida es muy poco probable. Pero toda el agua sigue siendo físicamente posible. Solo tienes que tener suficiente masa de agua para mantener unido todo el cuerpo, por gravedad.

Sin embargo, existirán diferentes estados físicos del agua, cuanto más lejos esté del centro de gravedad, estará en estado gaseoso (vapor de agua), reduciendo su densidad y presión a medida que avanzamos hacia los puntos más lejanos en la atmósfera exterior y exterior. espacio.

Sin embargo, cuanto más se acerque al centro de gravedad, la presión, junto con la temperatura, aumentarán hasta que sea lo suficientemente alta como para formar agua supercrítica. Ese es un estado en el que el agua estará en un estado en el que no existen distintas fases líquidas y gaseosas.

Por otro lado un planeta en todo estado líquido no es posible ya que la gravedad no permitirá que la presión sea igual en todas las partes del planeta, resultando en esta distinción de las fases. Además, si el planeta tuviera una gravedad lo suficientemente débil como para permitir que el vapor escape gradualmente, el planeta se evaporará gradualmente desde el exterior hasta que se agote por completo. El vapor de agua que rodea el cuerpo líquido que describí anteriormente actúa como una zona de amortiguamiento entre el espacio exterior, que no tiene presión, y las áreas más densas que se encuentran debajo.

Los rayos ultravioleta darán energía a las moléculas de vapor de agua y tenderán a escapar, pero ese efecto se puede superar con una gravedad lo suficientemente fuerte. Dado que el hidrógeno es el gas más liviano, la gravedad de la tierra no puede contener moléculas de hidrógeno, por lo que no puede encontrarlas en nuestra atmósfera, a diferencia de otros gases que necesitan más energía para escapar.

Un buen ejemplo de un planeta en un estado similar a su descripción aquí es Urano. El planeta se compone principalmente de líquido y gas, aunque no en su totalidad de un tipo de ellos.

Tampoco es probable que dicho planeta consista naturalmente en agua pura, ya que los cuerpos celestes como meteoritos y polvo, etc. Lo llenarán de impurezas, rompiendo así la regla que acabas de señalar.

Para que se forme una estrella, necesitarás más de 70 veces la masa de un gigante gaseoso como Júpiter para formarse. Entonces, mientras esté muy por debajo de ese tipo de masa, estará bien con su planeta.