Abundancia relativa de elementos

El oxígeno y el carbono son el tercer y cuarto elementos más abundantes tanto en el universo como en el sistema solar por FRACCIÓN DE ÁTOMOS . El oxígeno es el elemento más abundante en la Tierra (nuevamente por fracción atómica), pero el carbono está en 12.

Los números de referencia en FRACCIÓN DE MASA son:

• Universo - O: 10.400 ppm C: 4.600 ppm
• Sistema Solar - O: 5920 ppm C: 3032 ppm
• Tierra - O: 297 000 ppm C: 730 ppm

Tu pregunta es cómo conseguir un planeta con partes iguales de Carbono y Oxígeno; o al menos una proporción más similar a la observada en el Sistema Solar (aproximadamente 2:1) en lugar de la proporción observada en el planeta Tierra (400:1)

Cómo funcionan las estrellas de carbono

Usted hace referencia a sistemas estelares ricos en carbono y ricos en oxígeno como mutuamente excluyentes. Como puede ver en las abundancias relativas, el carbono y el oxígeno no son necesariamente excluyentes, nuestro propio sistema solar tiene mucho de ambos.

Pero hay estrellas específicamente ricas en carbono por ahí. ¿Qué las convierte en estrellas de carbono? Bien, en una estrella como el sol, con más oxígeno que carbono pero relativamente fría, la mayor parte del carbono de la fotosfera está unido al oxígeno en forma de monóxido de carbono (CO). Hay relativamente poco carbono libre, principalmente en forma diatómica, porque hay combinaciones energéticamente más favorables con el oxígeno. Sin embargo, si hubiera más carbono que oxígeno, todo el oxígeno estaría ligado al monóxido de carbono y habría un excedente de carbono; esto formaría compuestos como el carbono diatómico (C$_2$), metilidina (CH), cianógeno (CN) y otras delicias.

¿Cómo se forman las estrellas de carbono? Dos formas principales (seguramente hay otras formas, pero no sé mucho sobre ellas). Uno es para una estrella gigante en la rama principal asintótica . En algún momento después de que comience la fusión de helio en carbono, la estrella comienza a pulsar de un lado a otro entre la fusión de helio y la fusión de hidrógeno a medida que se expande y contrae. Esto provoca una convección que lleva el carbono a la superficie y revela las bandas espectrales que nos permiten determinar que se trata de una estrella de carbono. Eventualmente, los pulsos comienzan a perder masa y la estrella finalmente se convierte en una enana blanca. La masa expulsada se convierte en una nebulosa planetaria.

El otro mecanismo es que una estrella sea un gemelo binario de una estrella que se somete al proceso anterior. La masa expulsada, con todo su carbono adicional, puede ser absorbida por la gemela binaria, que ahora tiene un exceso de carbono antes de convertirse en una estrella de fusión de helio.

En términos generales, cualquiera de estos dos mecanismos es un mal camino para crear un mundo habitable. La fuerza variable de una estrella de carbono freiría/congelaría cualquier planeta en su órbita, y la explosión de una bola de plasma de un gemelo binario sería perjudicial para la vida alrededor del segundo tipo de estrella de carbono.

¿Por qué hay poco carbono en la Tierra?

Esta sección es un poco menos segura, ya que fue difícil encontrar evidencia directa para algunas de mis afirmaciones. En general, la Tierra tiene menos carbono debido al lugar donde se formó en el sistema solar. El sistema solar primitivo se diferenciaba más o menos por su composición química. Los materiales metálicos y de silicato permanecieron más cerca del sol, los líquidos y gases volátiles fueron empujados más lejos. La 'línea de congelación' del agua estaba a unas 3 AU del sol mientras el disco protoplanetario todavía estaba allí, por lo que la mayor parte del agua estaba más lejos del sol que la Tierra fusionada. Pero la mayor parte del oxígeno en la tierra no provino del agua, sino del silicato y los óxidos metálicos, donde el oxígeno se unió a otros elementos comunes como el Si, el Fe y el Mg.

Puede recordar que la mayor parte del carbono en una estrella que tenía más oxígeno que carbono estaba atrapado en CO. Bueno, la línea de congelación de CO era más como 15-35 AU. Así que el carbono estaba mucho más lejos de la Tierra que el agua. Y el carbono no forma el mismo tipo de compuestos con el silicio y los metales. Entonces, la esencia general es que el carbono fue empujado lejos del sol en la nebulosa protoplanetaria, ya que la mayor parte estaba en forma de CO muy volátil, por lo que la mayor parte está en los gigantes gaseosos y los cometas. Vale la pena señalar que, según el artículo vinculado sobre la línea de congelación de CO, aún se desconoce el mecanismo para el enriquecimiento de carbono en los gigantes gaseosos.

Cómo conseguir un planeta rico en carbono.

Entonces, incluso si un planeta se forma en un sistema rico en carbono (por ejemplo, a partir de la nebulosa expulsada de estrellas ricas en carbono), ese planeta, si estuviera cerca de la estrella, no sería rico en carbono en sí mismo. Eso deja dos posibilidades en las que puedo pensar para hacer un planeta rico en carbono.

1. El planeta rebelde se forma en el sistema solar exterior, se restablece en una órbita de la zona de Ricitos de Oro por una mecánica orbital de uno en un billón. Parece difícil que un objeto a la distancia de Plutón se coloque en una órbita estable cerca de una estrella, pero supongo que podría suceder. Plutón probablemente tiene mucho más carbono que la Tierra, relativamente.
2. Mecanismo desconocido para el enriquecimiento de carbono de los gigantes gaseosos El carbono enriquece un planeta similar a la Tierra. Si no sabemos qué es, puedes inventarlo.

Editar: para ser claros, el ciclo CNO ocurre en el núcleo de una estrella . La zona convectiva de una estrella es lo suficientemente fría para que los átomos más pesados ​​retengan sus electrones, y en la fotosfera se pueden formar moléculas y se forman. Consulte Asplund, et al., 2005 (sección 3) para obtener detalles sobre CN, CO, C$_2$, NH, OH y otras moléculas detectadas por sus características de emisión en la fotosfera solar.

Existen modelos de tales planetas, cortesía de Unterborn et al. (2014) . Discuten sobre planetas de composición similar a la suya, observando el valor de la fracción de masa dada por$(\text{Mg}+2\text{Si}+\text{Fe}+2\text{C})/\text{O}$. Un planeta modelo como el tuyo que orbitaría 94 Ceti (HD 19994) tendría una composición de 38,1% de oxígeno, 29,9% de carbono y el resto magnesio, silicio y hierro (ver Bond et al. (2010) ).

También podemos ver un gráfico ternario de$\text{O}$,$\text{C}$, y la suma$\text{Mg}+2\text{Si}+\text{Fe}$(Fig. 5 de Unterborn et al.). He agregado un círculo para marcar aproximadamente dónde se encuentra tu planeta:

Esto significa que este planeta tendría

• Un núcleo, de una de varias composiciones posibles.
• Un manto con mucho carbono, en forma de diamante.
• Una cantidad decente de silicatos en el manto.
• Una estrella madre con un$\text{C}/\text{O}$ratio de$\sim1$. Recuerdo haber leído que las estrellas de esta abundancia deberían conducir a planetas con fracciones de carbono relativamente altas.
• Posiblemente no metano o agua.