¿Por qué los planetas y los satélites del sistema solar se ven tan diferentes si proceden más o menos de la misma materia?

Estas preguntas se pueden dividir en dos; para planetas y satélites.

La diversidad de planetas refleja en parte la diversidad en términos de composición química del disco protoplanetario. Sabemos que la radiación ultravioleta del sol puede disociar moléculas complejas o incluso muy simples; por ejemplo, cuando los rayos UV dividen las moléculas de agua, el resultado son átomos de hidrógeno y oxígeno libres. Dado que el hidrógeno es extremadamente liviano, puede transportarse fácilmente en el flujo de los vientos estelares. Entonces, el agua, para seguir con ese ejemplo, si está cerca del sol podría terminar siendo disociada y agotada de la región del disco, pero por encima de la llamada "línea de nieve".La radiación ultravioleta del Sol era tan débil que esto no podía ocurrir con tanta frecuencia y, por lo tanto, las moléculas de agua (que son muy pesadas en comparación con los átomos de hidrógeno individuales) permanecieron allí. Eso solo explica la dicotomía entre planetas interiores y exteriores en términos de contenido de agua, e incluso entonces, algunos procesos (como el intenso bombardeo tardío ) podrían agregar algo de agua al interior (como sucedió en la Tierra). Pero este razonamiento no es solo porque el agua, el dióxido de carbono, el amoníaco, el metano y las centésimas de moléculas diferentes tienen sus propias "líneas de congelación". Más cerca del sol, el carbono no puede ser metano, es un gas volátil que es empujado rápidamente hacia el exterior, pero en algunas décimas de UA, el metano puede permanecer en condiciones estables e incluso puede condensarse en gotas líquidas.

Todo esto solo para decir que el disco protoplanetario NO era homogéneo en términos de composición química, y no era homogéneo en términos de densidad o presión. El gradiente térmico y químico a lo largo de la nebulosa asegura cierta diversidad y complejidad para todo el sistema planetario.

Aquí tienes un hermoso diagrama que muestra cómo diferentes compuestos químicos podrían condensarse a diferentes temperaturas y presiones en el disco protoplanetario.

Además, la acumulación de planetesimales es más energética cerca del Sol (lo que significa que las rupturas pueden ocurrir con más frecuencia y es difícil que un planeta crezca), mientras que en las regiones exteriores los planetas pueden aumentar en masa con regularidad ya que las colisiones con otros planetesimales se realizan en velocidades relativas más bajas (debido a cómo dos órbitas similares tienen una diferencia en los períodos que se hace más grande cuando te acercas al Sol y, por lo tanto, velocidades relativas más grandes). Esto, junto con las interacciones gravitatorias de los protoplanetas y el disco primitivo (ver migración planetaria y buen modelo).etc...) permiten diferentes tasas de acreción y la acreción de materiales de diferente composición de lo que se encontró en el lugar original de formación de un planetesimal en particular. Esto también ayuda a mantener una amplia variedad de masas planetarias.

Una amplia variedad de masas planetarias es el punto de partida para una mayor variación a medida que los planetas evolucionan en el tiempo y divergen de sus condiciones iniciales. Un pequeño planeta rocoso (Mercurio) podría tener menos calor atrapado en su interior que uno más grande (la Tierra), debido a la menor energía liberada por las menores tasas de acreción. Por lo tanto, podría enfriarse rápidamente y no puede ocurrir una magnetosfera debido a un interior derretido. La ausencia de una magnetosfera permite que las partículas cargadas del viento solar erosionen su atmósfera por chisporroteo. En cambio, en un planeta como la Tierra, la masa más grande ha llevado a un interior derretido que a su vez generó una magnetosfera que duró miles de millones de años, en Marte duró algún tiempo pero ahora casi ha desaparecido, por lo que la atmósfera también ha sido casi destruida. En la Tierra, la presencia de una atmósfera conduce a todo tipo de erosiones y fenómenos químicos. Además, su interior derretido junto con los detalles de su composición química y el grosor de la corteza permiten un mecanismo llamado tectónica de placas. La tectónica no puede ocurrir en Venus porque la corteza no es tan gruesa (debido a la diferente composición) y, por lo tanto, no se rompe en placas, sino que simplemente se deforma y se pliega en un comportamiento complejo que es exclusivo de Venus.

También las colisiones con planetesimales pueden alterar la evolución futura de planetas similares. Venus probablemente era muy similar a la Tierra (masa similar, composición muy similar y temperaturas no tan diferentes como uno podría pensar) pero sus caminos divergieron completamente ya que la tectónica en la Tierra recicló la litosfera y en Venus el dióxido de carbono quedó más atrapado en un efecto invernadero, y porque la Tierra tuvo una colisión con otro planeta que tiene nuestra Luna, que es un estabilizador mecánico, mientras que una colisión aleatoria con Venus (con diferentes parámetros de impacto) condujo a una rotación extremadamente lenta y días largos (pero sin lunas). Los días más largos significan un aislamiento diferente, y eso cambia drásticamente el clima de un planeta. En Marte, los días son similares a los de la Tierra, pero dado que es más pequeño y la atmósfera se ha ido, muchas cosas son muy diferentes de la Tierra. También,

Para ver cuán diferente puede ser la evolución de dos objetos planetarios simplemente haciéndolos de diferente masa, eche un vistazo a nuestra Luna. Tiene la misma composición química (de hecho, es un trozo de la Tierra), está básicamente a la misma distancia del Sol que la Tierra, vive en el mismo entorno interplanetario (misma radiación solar, viento solar, tasas de impacto, etc.). .), y aún así es completamente diferente. ¡Todo esto se debe a la masa! La luna no puede retener una gran atmósfera como la Tierra porque tiene menos atracción gravitatoria. La misma temperatura para nuestra atmósfera allí significa que las partículas alcanzan fácilmente la velocidad de escape y comienzan a escapar del pozo de gravedad. Sin atmósfera, sin calor interno, la luna carece de casi cualquier tipo de erosión a lo largo de miles de millones de años de evolución. Los procesos de erosión en la Tierra han hecho que la diversidad de formaciones geológicas explote en comparación con las que se encuentran en la Luna. Incluso entonces, la luna tiene sus propias peculiaridades y características dinámicas únicas.

Ahora nos estamos acercando a la cuestión de los satélites. De hecho, deberían verse casi iguales, ya que están formados por un material muy similar en condiciones extremadamente similares. Y de hecho creemos que las lunas originalmente eran muy similares (por ejemplo, las 4 lunas galileanas). Pero Io está demasiado cerca de Júpiter y las otras lunas interactúan con él de tal manera que los procesos geológicos son completamente diferentes. El agua y los volátiles se evaporaron rápidamente a medida que se calentaban por las fuerzas de las mareas de Júpiter. Estas fuerzas de marea no fueron tan fuertes en Europa ya que está más lejos, por lo que solo derritió parte de la corteza helada creando un hielo análogo a la tectónica de placas que generó una plétora de formaciones diversas. Los satélites evolucionan. Enceladus dispara chorros debido a las interacciones de las mareas y las resonancias orbitales con otras lunas. Algunas lunas como Japeto tienen una superficie de dos colores debido al material rociado por Enceladus al aterrizar en uno de sus lados. Algunas lunas como Tritón no tienen nada que ver con las otras porque se formaron en otra región del Sistema solar y luego quedaron atrapadas por la atracción gravitacional de un planeta (Neptuno en este caso).

Como he mencionado antes. Las atmósferas (densidad, composición y presión) dependen en gran medida de la masa del planeta o la luna. Mira este gráfico:

Muestra la velocidad de las moléculas de gas en relación con la temperatura del gas. Para temperaturas más altas, las moléculas de gas se mueven más rápido. En un planeta de poca masa, la velocidad de escape es menor que en uno de mayor masa. Por lo tanto, un planeta más cercano al sol (a una temperatura más alta) necesita ser más grande si quiere conservar las mismas moléculas de gas en su atmósfera que un planeta que está más lejos (más frío). Puede ver por qué la atmósfera de la Tierra podría atrapar y retener agua, oxígeno, dióxido de carbono, amoníaco, metano, nitrógeno y otros gases, mientras que no puede atrapar hidrógeno y helio (porque son más livianos y, por lo tanto, a la misma temperatura pueden moverse tan rápido como necesarios para escapar de la Tierra). Mientras tanto, la Luna, que tiene el mismo calor proveniente del Sol que la Tierra, dado que es menos masivo, no puede retener casi ningún gas (tal vez un poco de xenón). Titán, es una luna enorme, por lo que puede retener muchas moléculas gaseosas como nitrógeno y oxígeno (esas a su vez hacen que la presión sea lo suficientemente alta como para retener también volátiles como el metano en forma líquida en la superficie). Pero, ¿por qué Ganímedes no tiene la misma atmósfera que Titán si son básicamente del mismo tamaño? Debido a que Ganímedes está más cerca del Sol, una mayor temperatura significa que las moléculas se mueven más rápido y, por lo tanto, escapan fácilmente a su atracción.

Como podéis ver los complejos procesos de atmósferas de una luna o un planeta lo cambian todo (erosión, procesos de reciclaje, corrosión química, etc...) y a su vez esa diversidad de atmósferas proviene de una diversidad de masas y distancias al Sol.

Creo que el Sistema Solar es un sistema caótico, dinámica, geológica, químicamente, etc... Caos significa que por una pequeña diferencia en las condiciones iniciales, el sistema evolucionará exponencialmente en diferentes estados divergentes. Los planetas y las lunas podrían haber comenzado como objetos similares, pero la historia y la dinámica caótica del sistema han evolucionado hacia entornos completamente diferentes. No solo eso, sino que la verdad es que los planetas no comenzaron como iguales sino que eran muy diferentes desde el principio, así que imagina qué tan lejos está Venus para convertirse en Titán, o un Ío para convertirse en Tierra.

También hay procesos y condiciones que son especialmente adecuados para la divergencia. Por ejemplo: la Tierra es muy dinámica mientras que Marte, Venus, Mercurio, la Luna y otros no lo son en absoluto. ¿Por qué? porque en la Tierra el agua puede existir en 3 estados diferentes de la materia. Podemos encontrar agua líquida, vapor de agua y hielo en diferentes regiones y estaciones. Y eso es porque la Tierra tiene una temperatura promedio y su atmósfera tiene la presión justa para permitir esto. Las condiciones de la Tierra están muy cerca del punto triple del agua (donde coexisten los tres estados de la materia), por eso tenemos un ciclo del agua en la Tierra, con ríos y glaciares erosionando el paisaje y las nubes regulando el clima.

Marte, Venus, Mercurio, todos tienen temperaturas y presiones donde esto no puede suceder, no solo en el agua sino en muchos compuestos presentes allí. ¿Sabes dónde puede pasar esto? ¡En Plutón! Esto fue muy sorprendente, Plutón muestra una variedad de terrenos y características geológicas que supera todas las expectativas. Ahora sabemos que esto se debe a que Plutón es extremadamente dinámico (como la Tierra) y pueden ocurrir muchos procesos geoquímicos y de erosión, pero esto no se debe al agua (ya que Plutón tiene baja presión y bajas temperaturas), sino a causa del nitrógeno y ¡Neón! Ambos elementos tienen su punto triple dentro del rango de condiciones de Plutón y, por lo tanto, se esperan ríos de neón, glaciares de nitrógeno y neblinas en este planeta enano.

De hecho, es una pregunta interesante. Qué increíbles son las leyes de la naturaleza que permiten una variedad extrema incluso entre hermanos. Me pregunto cómo podría ser un planeta alrededor de cualquier otra estrella, nuestras categorías simplistas de Júpiteres calientes, mini-Neptunos, súper-Terras, etc... son tan primitivas y restrictivas. Las maravillas que nos esperan en este cosmos complejo y diverso están más allá de nuestra comprensión.