¿Es la gravedad de la superficie sólida de 1g de la Tierra inusualmente alta para los exoplanetas?

Según este artículo , la fig. 4, los planetas sólidos de masa arbitraria (hasta 3.000 veces la masa de la Tierra) no crecen mucho alrededor de tres o cuatro veces el diámetro de la Tierra. Eso es porque las partes interiores del planeta se comprimen por la alta presión. Los planetas más pesados ​​que 3.000 veces la masa de la Tierra están en la zona de transición a las estrellas. En el caso de los planetas rocosos se convertirían en objetos subestelares, similares en sus propiedades físicas ( degeneración electrónica en el núcleo) a las enanas blancas o negras , incapaces de iniciar la fusión nuclear por falta de elementos ligeros en su núcleo.

La gravedad superficial es proporcional a la densidad media.$\rho$, y al radio$r$del planeta:$g=\frac{4\pi}{3}G\rho r$, con$G$la constante gravitatoria.

Un planeta con aproximadamente la composición de la Tierra y 3.000 veces la masa de la Tierra tendría aproximadamente 3 veces el radio de la Tierra, por lo tanto, el volumen de 27 veces y la densidad de 3000/27 = 111 veces. Por lo tanto, su gravedad superficial sería de 333 g. Eso está cerca del límite superior de la gravedad superficial de lo que se llamaría un planeta. Con un planeta de hierro puro podríamos ir un poco más allá. Cualquier gravedad superficial por debajo de este límite superior es posible para un planeta sólido, al menos en teoría.

Según la página 1284 del artículo :

Los exoplanetas sólidos masivos de cientos a miles de masas terrestres pueden formarse alrededor de estrellas masivas (estrellas B y O; 5-120 masas solares) donde el disco protoplanetario contendría suficientes elementos pesados.

Las estrellas de tipo B y O son raras (0,13% de las estrellas de secuencia principal) y de corta duración (menos de 100 millones de años; más exactamente, menos de$10^{10}\cdot 18^{-2.5}$años, para masa > 18 masas solares). Por lo tanto, los grandes planetas sólidos del tipo descrito también serán raros, aunque a priori no imposibles.

El planeta con la gravedad superficial estimada más alta descubierta hasta el momento (8 de marzo de 2014) es CoRoT-Exo-3b (agregue la columna "gravedad superficial" a la tabla de exoplanetas y ordene por esa columna):

CoRoT-Exo-3b tiene un radio de 1,01 ± 0,07 R_Jup y transita alrededor de su primario de tipo F3 cada 4,26 días en una órbita síncrona. Su masa de 21,66 ± 1,0 M_Jup, densidad de 26,4 ± 5,6 g cm-3 y gravedad superficial de logg = 4,72 lo distinguen claramente de la población regular de planetas cercanos, lo que lo convierte en el objeto subestelar en tránsito más intrigante descubierto hasta ahora.

Una gravedad superficial de logg = 4,72 significa que la gravedad superficial es igual a$10^{4.72}\mbox{ cm}/\mbox{s}^2=52,480 \mbox{ cm}/\mbox{s}^2 = 53.5~g.$ Esta investigación ha hecho uso de Exoplanet Orbit Database y Exoplanet Data Explorer en exoplanets.org.

CoRoT-3b en Wikipedia .

La gravedad superficial es una función de dos cosas:

1. Masa
2. Radio

La masa es proporcional al cubo del radio por la densidad media. La gravedad es proporcional al cuadrado del radio. Como resultado, si tienes dos planetas con la misma densidad, el planeta más grande tendrá mayor gravedad.

Pero la densidad media puede ser un factor importante.

Tierra:

• Densidad media 5,515 g/cm3
• Radio medio 6371,0 km

Venus:

• Densidad media 5,243 g/cm3
• Radio medio 6051,8 km

Júpiter:

• Densidad media 1,326 g/cm3
• Radio medio 69911±6 km

(fuente: páginas de Wikipedia para la Tierra , Venus y Júpiter )

Así que Venus es un poco más pequeño y un poco menos denso que la Tierra, lo que le otorga el 90% de la gravedad terrestre. Júpiter es mucho más grande (más de 10 veces) pero mucho menos denso (alrededor de un cuarto), lo que le otorga 10/4 o aproximadamente el 250% de la gravedad de la Tierra.

Mi entendimiento es que la Tierra es bastante pequeña, pero inusualmente densa. De los planetas que podemos detectar con la tecnología actual, esperaría que más de ellos fueran más grandes y/o más pesados, ya que esas propiedades nos facilitarían la detección.

De todos los planetas del universo, espero que encontremos una distribución no muy diferente a la de nuestro propio Sistema Solar y que la Tierra caiga justo en el lado alto del promedio.

En última instancia, no sabemos lo suficiente sobre exoplanetas para estar seguros; por ahora todos nuestros datos están sesgados hacia planetas más masivos que son más fáciles de detectar usando el bamboleo Doppler, o planetas de gran diámetro (casi con certeza gigantes gaseosos) que son fáciles de detectar porque su estrella anfitriona se oscurece cuando la eclipsan en relación con nosotros. Cada día llegan más datos y, por fantástico que haya sido Keplar, creo que al menos debemos esperar a que James-Webb esté en línea antes de sacar conclusiones realmente sólidas a partir de los datos.

Sin los datos, todo en lo que podemos confiar es en nuestras teorías de formación de planetas, en las que somos bastante buenos.
La Tierra es probablemente más densa que un planeta promedio de su tamaño, como resultado de la colisión con un objeto del tamaño de Marte (apodado Theia) al principio de su desarrollo. El núcleo de Theia habría sido absorbido por el núcleo de la Tierra, pero las capas externas de ambos fueron eliminadas, creando un anillo que se fusionaría en nuestra luna. Esto dejaría a la Tierra con un núcleo de mayor masa que la que tendría un planeta que se forma a su distancia.

Esto lo podemos ver en las densidades de los planetas terrestres;

--Objeto-------Densidad (g cm−3)-----Semi-eje mayor (AU)-

-------------------Media----Sin comprimirm--------------

-Mercurio-----5.4---------5.3-------------0.39------------

-Venus-------5.2---------4.4-------------0.72------------

-Tierra-------5.5----------4.4--------------1.0-------------------

-Marte--------3.9----------3.8--------------1.5-------------------

Crédito, Wikipedia

Los planetas más cercanos a su estrella naturalmente tendrán densidades más altas como resultado de la diferenciación de masa; material más denso que se asienta en el núcleo de un planeta o en el centro de un disco de acreción solar.

Mirándolo desde la perspectiva de la habitabilidad,
sabemos que la densidad está positivamente correlacionada con la gravedad de la superficie, por lo que podemos esperar que la Tierra tenga una gravedad superficial ligeramente superior a la media para un planeta en la zona habitable alrededor de una estrella en la categoría de uno. masa solar.

Dicho esto, la mayoría de las estrellas no tienen una masa solar, la mayoría de las estrellas del universo son enanas rojas, que son mucho más tenues y livianas que nuestro sol, y tendrían una zona habitable más cercana y estrecha. Un planeta habitable alrededor de una enana roja probablemente sería más pequeño y liviano, pero más denso, debido a su nube de acreción de masa más baja y su mayor proximidad a su estrella, respectivamente.

Creo que podríamos esperar que la mayoría de los exoplanetas sean planetas similares al mercurio que orbitan enanas rojas.
Si este es el caso, podemos esperar que la Tierra tenga una gravedad superficial alta en relación con los planetas terrestres (aunque existen MUCHO más planetas terrestres masivos de diámetro similar) y una gravedad promedio si se tienen en cuenta todos los planetas.