¿Cuál es la mayor masa posible para un planeta estable hecho de hierro?

Considere un gran planeta esférico hecho de hierro puro . Piense en algo similar a Mercurio o la Tierra sin su manto, solo que mucho más grande, aunque esos planetas tienen elementos distintos al hierro mezclados en su núcleo.

¿Cuál es la masa más alta posible que podría tener un planeta de este tipo sin dejar de ser estable? ¿Puedes decir el radio aproximado que tendría (si esto es significativo) y la presión en el centro?

Si intentaras hacer un planeta con una masa mayor que esa, ¿qué te detendría?

Puedo pensar en dos posibles obstáculos que impedirían la formación de un planeta de hierro más pesado.

  • La gravedad del planeta no puede mantener toda su masa, por lo que parte del hierro se escapará al espacio abierto.
  • El planeta (o al menos su centro) colapsará bajo su propia presión y sufrirá algún tipo de cambio de fase, por lo que ya no estará hecho de hierro líquido, sino de otra cosa: plasma o alguna otra fase exótica de la materia hecha principalmente de hierro. núcleos, materia formada por átomos fusionados o divididos distintos del hierro, materia degenerada de neutrones, otra materia degenerada que no contiene núcleos, agujero negro.

Específicamente, no estoy preguntando qué tan pesado podría formarse un planeta en la naturaleza, sino qué tan pesado sería un planeta estable si de alguna manera se formara.

No especifiqué una temperatura para el planeta. Imagine que el planeta orbita alrededor de una estrella o como un planeta libre, lo que sea conveniente para usted, y elija una temperatura de equilibrio realista que podría alcanzar a partir de la radiación en ese caso. La bola de hierro no será un núcleo dentro de una estrella o planeta gaseoso.

El planeta rotará lo suficientemente lento como para que la rotación no pueda reducir significativamente la aceleración gravitacional en su superficie.

¿Cómo pudo formarse un planeta así?
@ HDE226868: probablemente no podría formarse a partir de ningún proceso astronómico realista, porque no hay suficiente hierro en ninguna parte, por lo que esto es hipotético. Pero tal vez podría formarse a partir del núcleo de una estrella después de que el resto de la estrella se filtre.
No entiendo el proceso que imaginas por el cual el hierro se "fugaría". Cuanto más grande es el planeta, más fuerte es el campo gravitatorio en la superficie.
Estoy de acuerdo con las objeciones en el otro comentario, pero esta es una buena pregunta como escenario teórico con condiciones iniciales dadas, independientemente de cómo surgieron las condiciones iniciales. Supongo que estás pensando en la forma más estable que podría tomar la materia en el universo antes de sufrir un colapso gravitacional. En cuyo caso, creo que el enlace del Conde Iblis es relevante: la mayor parte de la materia no pasa por ser hierro antes de convertirse en el núcleo de una estrella de neutrones.
@Floris: la enorme presión de alguna manera obligaría a algunas partes de la masa a ganar tanta velocidad que es más fuerte que la gravedad, por lo que se expulsa. No parece muy probable, pero no puedo excluirlo, así que quería mencionarlo para completarlo.
La gravedad aumenta con la masa, por lo que no creo que ocurra tal evento.
@WetSavanna: no, no estoy pidiendo la forma más estable, sino la fase que es solo un paso más estable que un planeta de hierro. Es probable que haya múltiples pasos entre un planeta de hierro y un agujero negro.
¿El enorme campo magnético no haría retroceder el hierro "que gotea", incluso si pudieras "de alguna manera" superar la gravedad?
Me alegro de que hayas obtenido una buena respuesta. Es una gran pregunta de la que aprendí bastante.
Interesante posibilidad de un planeta que está justo en el límite del tamaño máximo que se ve afectado por alguna influencia (impacto de un meteorito de hierro, onda de gravedad) 'repentinamente' cambiando de una bola de hierro frío a alguna forma de materia colapsada.

Respuestas (1)

Puede crear una esfera masiva de hierro frío de hasta aproximadamente 1,1 masas solares que podría soportar la presión de degeneración de electrones.

Es probable que el punto exacto de inestabilidad sea causado por la desintegración beta inversa que reduce la densidad del número de electrones (también podría modificarse ligeramente hacia arriba por una rotación extremadamente rápida). [NB: Esto es más bajo que la "masa de Chandrasekhar" comúnmente citada para las enanas blancas porque (i) hay más unidades de masa por electrón en el hierro que para el carbono/oxígeno habitual que se supone que hay en la mayoría de las enanas blancas, y esto reduce la degeneración presión para una densidad dada; y (ii) lo que es más importante, la desintegración beta inversa se establece a densidades mucho más bajas para el hierro que para el carbono.]

La estructura de tales objetos es estudiada en detalle por Rotondo et al. (2011) . La inestabilidad se produce a una densidad finita y, por tanto, a un radio finito, que es de unos 2200 km (el valor exacto es incierto). La densidad central sería de aproximadamente 1.1 × 10 12 kg m − 3 (aquí es donde la energía de Fermi del electrón es igual al umbral de energía para la desintegración beta inversa en el hierro). La presión central es esencialmente una presión de degeneración de electrones relativista ideal, que calculo que es aproximadamente 5 × 10 25 Pa. La temperatura del objeto realmente no importaría: los electrones estarían completamente degenerados a menos que exceda sustancialmente 10 8 K (por ejemplo, vea este enlace , estableciendo la densidad logarítmica en 12 y las unidades de masa por electrón m mi a ∼ 2.2 .)

Por lo tanto, lo que preguntas no está en absoluto en el régimen planetario.

Si intentara agregar más hierro a esta enana blanca de hierro de masa máxima, colapsaría. El resultado de eso probablemente sería una estrella de neutrones de baja masa.

Tales esferas de hierro (o elementos de pico de hierro) se crean en los núcleos de estrellas masivas, pero siempre se cree que crecen más allá del punto de inestabilidad y colapsan, iniciando una explosión de supernova.

Hoy aprendí una nueva expresión: "desintegración beta inversa". ¿En qué se diferencia esto de la "captura de electrones"? De cualquier manera, entiendo que el resultado es "menos electrones, más neutrones" y, por lo tanto, un colapso (¿en una estrella de neutrones, pero con demasiada energía para ser estable y, por lo tanto, la supernova?)
@Floris Desintegración beta inversa . e + p -> n + nu La diferencia semántica entre eso y la captura de electrones es que creo que la captura de electrones normalmente se debe a un electrón que estaba unido al núcleo en primer lugar. Pero son esencialmente la misma cosa. También llamada neutronización.
Gracias por la aclaración (y la corrección - recordatorio para mí mismo: no debe PSE en el teléfono antes del café, sin anteojos para leer...)
¿Cuál es la mayor masa posible para un planeta estable hecho de hierro?
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