¿Por qué en el Sistema Solar toda la masa parece estar concentrada en el centro?

Es por el sol.

Sería bueno si doy una descripción general rápida de la formación de estrellas antes de llegar al meollo del problema. Aquí está la formación de estrellas en unos simples pasos:

1. Se forma una nube molecular gigante . Una gran región de gas y polvo, esencialmente una versión densa del medio interestelar, se fusiona en una nube interestelar. Los GMC pueden tener decenas o cientos de años luz de diámetro, suficiente para dar a luz a muchas estrellas. Dentro del GMC, algunas regiones serán ligeramente más densas que otras.
2. Una parte de la nube colapsa. Cierta región del GMC colapsa, generalmente debido a una perturbación externa. La causa más comúnmente citada es una onda de choque de supernova que comprime porciones del GMC, aunque se sabe que los pasos cercanos entre galaxias incitan la formación de estrellas . Mi ejemplo favorito es la galaxia Cartwheel .
3. La región se calienta. Hay bastante materia presionando lo que ahora se ha convertido en una protoestrella, por lo que se calienta. Eventualmente, las condiciones se vuelven tales que la fusión de hidrógeno es posible. La protoestrella , ahora una estrella anterior a la secuencia principal , comienza a brillar.
4. Se forma un disco protoplanetario . En este punto, la estrella domina esta región del GMC. La materia cercana es atraída hacia él por la fuerza de la gravedad y se forma un disco circunestelar. Puede estar compuesto de gas y polvo. Eventualmente, pequeños granos de polvo chocan y forman granos más grandes. Se forman planetesimales , luego protoplanetas y finalmente planetas.

La razón por la que no hay más materia en un sistema estelar dado es que la estrella domina el área circundante. Atrae casi todo a su alrededor durante sus primeros años de vida. Gran parte de la región de la nube que colapsa está hecha de moléculas$H_2$, por lo que se introduce y se utiliza para la fusión.

Ahora la pregunta se traduce como '¿Por qué el disco protoplanetario no es más masivo?' La respuesta es que cuando se formó el disco, gran parte de la materia que estaba en su interior se desplazó en espiral hacia el Sol. Esto se debe en parte al efecto Poynting-Robertson , donde los fotones del Sol atraen granos de polvo. Durante miles de millones de años, la estrella puede acumular mucha de la materia que originalmente estaba cerca de ella en el disco.

Siento que HDE da un buen comienzo de respuesta, pero no llega a la parte importante. Hemos visto en la respuesta de HDE la formación de una estrella en el centro de la nube molecular que colapsa. Cuando la estrella comienza a fusionar elementos más livianos, el disco protoplanetario tiene varias fuerzas actuando sobre él:

• El momento de las partículas en el disco.
• La gravedad de la estrella en el centro y otras partículas del disco protoplanetario en el otro lado.
• La gravedad de las partículas del disco protoplanetario opuesto al sol (hacia afuera).
• La presión de radiación de la nueva estrella.

Curiosamente, la segunda y la tercera fuerzas prácticamente se anulan cuando el disco todavía tiene una distribución uniforme. Pero una vez que se acumulan grandes grupos de materia, esas grandes masas (protoplanetas) atraen gravitacionalmente a la otra materia de manera inconsistente y, a veces, violenta, especialmente cuando se alinean múltiples protoplanetas (una vez por órbita del cuerpo interno).

Por lo tanto, el área del disco protoplanetario está siendo "barrida" de toda la masa: parte es atraída hacia el sol por la gravedad y la pérdida de impulso debido a las colisiones, parte es empujada fuera del sistema solar por la radiación, y cualquier materia era no perturbado por uno de esos procesos está sujeto a ser perturbado por la gravedad de los propios protoplanetas. Los protoplanetas, con el tiempo, absorberán esa materia o arrojarán gravitacionalmente esa materia fuera del sistema o también de sus bordes .

En resumen, el disco protoplanetario dentro de unas pocas decenas de AU de la estrella en el centro es un lugar caótico . No mucha materia puede formar una órbita estable allí.

¿Estás preguntando por qué no hay más masa en el sistema planetario?

Las razones se remontan al colapso y fragmentación de la nube protoestelar y la posterior acreción (a partir de una envoltura pseudoesférica) de la mayor parte del material protoestelar. Tiene poco que ver con los procesos posteriores que ocurren en el disco de acreción.

Si el disco tenía demasiada masa, se vuelve inestable y se fragmenta aún más, y esta es una de las formas en que se forman los sistemas binarios.

En general, los discos alrededor de las estrellas rara vez superan una décima parte de la masa estelar. Pero, por supuesto, hay muchos sistemas binarios.

Si, en cambio, quiere decir por qué no terminó más disco protoplanetario en los planetas, las dos razones principales son: (i) se acumuló una gran fracción del disco protoplanetario. Vemos estrellas T-Tauri de clase II con tasas de acreción de masa de$10^{-9}-10^{-8}$masas solares por año y esto parece persistir durante unos pocos millones de años. (ii) El disco se fotoevapora por la radiación de alta energía proveniente de la estrella y posiblemente también de fuentes externas. Esto impulsa un viento de disco que agotará el disco de material.

La formación de planetas compite con estos procesos. El popular modelo de "acreción de núcleos" para la formación de planetas gigantes (no hay suficientes rocas en el disco protoplanetario para que los planetas/asteroides rocosos y otros hagan alguna diferencia) tiene una escala de tiempo de 5 a 10 millones de años para la acreción de gas, por lo que la mayoría de las materias primas pueden haber desaparecido fácilmente antes de que se produzca una gran acumulación de material en planetas gigantes.