¿Por qué todos los planetas y estrellas de nuestro sistema solar tienen densidades promedio tan similares?

No creo que haya ninguna razón fundamental más allá de la física de su formación y la física que los respalda.

Los planetas gigantes se forman principalmente a partir de hidrógeno y helio. No están formados por elementos más pesados ​​porque no hay suficientes en un disco protoplanetario. Los planetas pequeños están hechos de elementos más pesados ​​y menos volátiles que se condensaron más cerca de sus estrellas. Están demasiado calientes y su gravedad es demasiado pequeña para retener hidrógeno y helio.

Dado eso, podríamos esperar que los planetas sigan dos trayectorias de radio de masa diferentes. Los planetas más pequeños básicamente tienen la densidad de lo que están hechos, con solo una pequeña cantidad de compresión que depende de su masa. Los gigantes gaseosos están gobernados por una ecuación de estado degenerada de electrones que se aproxima a un$n=1.5$politropo. En el régimen de densidad relativamente baja (en comparación con una enana blanca), esto da como resultado un radio casi independiente de la masa y, por lo tanto, una densidad que crece linealmente con la masa.

Los dos regímenes se ven claramente en un gráfico de dependencia de masas para Exoplanetas.

Como puede ver, algunos exoplanetas son mucho más densos y la dispersión general en densidad es de más de dos órdenes de magnitud. Por lo tanto, la razón por la que los planetas del sistema solar tienen densidades similares es que (a) las rocas tienen densidades similares y los planetas rocosos generalmente no son lo suficientemente masivos como para comprimirlos mucho más y (b) los gigantes gaseosos del sistema solar no son muy masivos. y el extremo de baja masa de los gigantes gaseosos que se pueden formar tienen una densidad promedio similar a las rocas.

Hay más discusión que se podría tener sobre por qué (a) y (b) son verdaderas, a lo que puedo agregar.

Dada esta tabla , los factores más signifcativos que afectan la densidad de la materia elemental (materia organizada en elementos) parecen ser

1) si la materia es gaseosa o no, lo que parece ser un factor de alrededor de 50.

2) el número promedio de nucleones en una molécula de gas (factor aproximadamente 100) o no gas (factor aproximadamente 50)

Por lo tanto, se sugiere que la formación del sistema solar y los planetas ocurrió con una distribución relativamente aleatoria de estos factores; e incluso algunos efectos por los que actúan de forma compensatoria (como los que se describen a continuación).

En cuanto a su composición los elementos más abundantes en el sistema solar son el hidrógeno y el helio, cubriendo el 98% en masa. Debido a la formación de elementos en el universo temprano, los elementos más abundantes residen en el rango de masa atómica de 1 a 28 (y los números pares son más abundantes) (como se muestra aquí ). Así que la variación de densidad por encima de 30 debido a la composición sería notablemente inconsistente con nuestra teoría de la formación del universo.

Los elementos más livianos necesitan un campo gravitatorio más fuerte para ser retenidos, por lo que solo los planetas más grandes pueden retenerlos. [Por ejemplo, esa es una de las razones por las que debemos tener cuidado con el uso de helio en la Tierra, ya que es inerte, no se retiene en los compuestos y, si se libera, viaja a la parte superior de la atmósfera, donde es arrastrado por el viento solar].

En consecuencia, son los planetas más pequeños los que tienden a retener principalmente elementos/moléculas más pesados ​​y son más densos. Venus es interesante porque es un pequeño planeta interior, pero tiene una atmósfera. Su atmósfera restante es principalmente$C0_2$, que tiene una alta masa atómica molecular de 44, y es unas 100 veces más masiva y densa que la de la Tierra.

Además de grandes planetas en órbitas solares más grandes que retienen elementos más livianos, tienen interiores que están bajo una inmensa presión; lo suficientemente alto como para licuar algunos gases ligeros. Por ejemplo, se teoriza que Júpiter tiene una capa de hidrógeno metálico líquido en su interior, una que se extiende hasta quizás el 78% del radio. El hidrógeno líquido es casi 800 veces más denso que el gas (70,85 g/L, en comparación con 0,08988 g/L). En comparación, el elemento más pesado, el hierro, tiene una densidad de alrededor de 7800 g/L (normalmente citado como$7.8g/cm^3$), por lo que esto mueve la consideración nos mueve en la dirección correcta, pero probablemente también estén involucrados otros efectos. Nota: El hierro es también el elemento más abundante en la tierra, representando alrededor del 38 % de su masa.

Resumen

Un efecto es que si el cuerpo es lo suficientemente masivo como para retener moléculas de los elementos ligeros, entonces es probable que sea muy grande ya que los elementos ligeros son los más abundantes. En consecuencia, es probable que la presión interior licúe una parte significativa de estas moléculas, acercando la densidad general a la de los planetas "rocosos" más pequeños que solo retienen sólidos (y tal vez gases de moléculas muy pesadas).