¿Por qué los planetas del sistema solar se vuelven roca-gas-hielo en lugar de roca-hielo-gas cuando se alejan del sol?

Preludio

Ahora se acepta generalmente en la comunidad de formación de planetas que los planetas se forman como un producto secundario del proceso de formación de estrellas en los llamados discos protoplanetarios.
Los discos protoplanetarios tienen masas iniciales de unos pocos a decenas de por ciento de sus masas anfitrionas estelares, son relativamente fríos (T<150K en aproximadamente el 95% o más de su masa, que está fuera de la línea de hielo del agua para un modelo MMSN estándar) y, por lo tanto, en su mayoría son detectado en el infrarrojo. El componente infrarrojo radiante es el componente 'polvoriento' (detección y confirmación publicada por primera vez a través del satélite IRAS en 1984-1985) que constituye aproximadamente el 1% de la masa, siendo el otro 99% gas H/He.

Esos discos son discos de acreción, es decir, pierden momento angular a través de varios procesos, lo que conduce a la caída de masa en su estrella anfitriona. El polvo se asienta en el plano medio. Para el caso de acreción turbulenta, el polvo y el gas estarán bien mezclados y se acumularán relativamente uniformemente en la estrella, mientras que en el caso de acreción impulsada por el viento del disco, el H/He en las capas superiores del disco fluye sobre el plano medio y proporciona la tasa de acumulación. Las tasas de acreción del disco pueden ser demasiado para lo que la estrella realmente puede acrecentar y el exceso de masa se expulsa verticalmente en chorros que pueden existir a lo largo de la vida útil del disco, sus tasas de decreción de masa corresponden típicamente al 1-50 % de la tasa de acreción del disco.
Menciono la línea de hielo del agua únicamente como punto de referencia, ya que su efecto exacto en la física de la formación de planetas es muy debatido, actualmente no se puede observar, y las líneas de hielo en varias otras moléculas como$\rm CO, CO_2, N_2,...$también podría estar interpretando papeles.

Formación de planetas

Nuestro sistema solar se originó muy probablemente en uno de esos discos protoplanetarios. No podemos seguir el proceso de formación a lo largo de la vida útil del disco, ya que tarda entre 1 y 20 millones de años (valor medio de 3 a 5 millones, según el estudio ) y, por lo tanto, como sucede a menudo en astrofísica, confiamos en instantáneas y estadísticas de exoplanetas para intentar descifrar juntos la física.

El 50% de todos los sistemas exoplanetarios albergan varias supertierras rocosas en radios interiores a la línea de hielo del agua. El 6-10% de todas las estrellas posee planetas gigantes gaseosos fríos (planetas gigantes en semiejes mayores >0,5 AU) y el 0,5-1% posee gigantes gaseosos calientes (planetas gigantes en semiejes mayores <0,1 AU). Si bien a partir de esto nuestro sistema solar parece tener una masa inusualmente baja en la zona del planeta terrestre, no obstante, la física parece preferir construir planetas rocosos en el interior de la línea de hielo de agua. Esos procesos deben ocurrir en la fase del disco protoplanetario y posiblemente poco después de la eliminación del gas (<100 Myrs, no está muy limitado qué fracción de su masa final poseía la Tierra en la dispersión del disco).

También se cree que los planetas rocosos se forman más allá de la línea de hielo del agua. Sin embargo, en esas regiones del disco protoplanetario, la reserva de masa es enorme y los planetas rocosos pueden lograr una acumulación de gas fuera de control.antes de que su disco padre se disperse. Alcanzar la acumulación de gas fuera de control consta de dos pasos: primero, después de que se forma el planeta rocoso con varias masas terrestres, adquiere una atmósfera que está conectada hidrostáticamente al disco a través de su propia gravitación. Esta atmósfera se enfría lentamente a través del enfriamiento Kelvin-Helmholtz. La contracción permite que fluya más masa hacia el dominio planetario, formando una atmósfera masiva. Si esta atmósfera alcanza una masa lo suficientemente importante como para que la autogravedad ayude a la contracción aún más, el planeta se acumula más cuanto más se enfría y se enfría más cuanto más se acumula, por lo que se alcanza una acumulación descontrolada.

La arquitectura del sistema solar.

Con todo esto, podemos formular la explicación estándar de la arquitectura del sistema solar:

Júpiter y Saturno son gigantes gaseosos fríos estándar que pasaron por una fase de ensamblaje rápido del núcleo y posterior acumulación descontrolada de gas. Urano y Neptuno crecieron lejos en regiones de baja densidad de gas del disco (o pequeñas poblaciones de polvo, lo que aumentó el tiempo de enfriamiento y ensamblaje del núcleo ) y, por lo tanto, quedaron atrapados en la fase de acumulación de gas hidrostático hasta que el disco se dispersó. El "hielo" en los gigantes de hielo, por lo tanto, se refiere al componente sólido que constituye el 60-80% de su masa, y no a que se hayan perdido la acumulación descontrolada, lo que daría un nombre más claro.

Ahora, la otra pregunta es por qué los planetas en radios pequeños parecen haber evadido la acumulación de gas fuera de control, en nuestro sistema solar y en al menos el 50% de los sistemas exoplanetarios. Un mecanismo candidato es el " reciclado de gases ", es decir, la reposición de entropía a las atmósferas protoplanetarias que evita su contracción. Esto es posible cerca de la estrella porque el gas es muy denso, reemplazando el enfriamiento por advección como mecanismo dominante de transporte de entropía.

resumiendo

Los trazos generales de la arquitectura del sistema solar se pueden entender en términos de mecanismos físicos que se ha demostrado que funcionan en simulaciones. Sin embargo, al aplicar esos mismos mecanismos para formar poblaciones sintéticas de planetas, esas poblaciones sintéticas suelen ser inconsistentes con las observadas. Este es un trabajo en progreso y necesita futuras misiones a los gigantes de hielo para medir sus abundancias detalladas de elementos pesados ​​y usar estos últimos para distinguir entre escenarios de formación en competencia, de los cuales he presentado solo uno.

La física presentada aquí es, por lo tanto, muy diferente de una imagen simple de 'elementos pesados ​​hundidos en el viento solar', que hasta donde yo sé, nunca fue considerada como candidata para un modelo de formación de planetas. Simplemente Laplace en el siglo 18 consideró un modelo que suena similar al suyo, de una atmósfera solar extendida que centrífugamente se rompe en anillos para formar los planetas. Sin embargo, con mi preludio anterior, ahora se sabe que este modelo es incorrecto.