Astronomia

Non ci sono rocce o materiale solido simile sui/nei pianeti giganti gassosi?

Non ci sono rocce o materiale solido simile sui/nei pianeti giganti gassosi?


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Non ci sono rocce o materiale solido simile sui/nei pianeti giganti gassosi? Cosa succede se un asteroide roccioso colpisce uno di questi pianeti? La roccia non dovrebbe accumularsi al centro del pianeta a causa della sua alta densità?


L'interno di un pianeta gigante non è come il gas normale.

Prima di tutto, fa caldo. Sei lontano da come si riscalda all'interno della Terra (causando i vulcani). Fa caldo anche all'interno di Giove, ma poiché Giove è più grande, fa anche più caldo. Sarebbe abbastanza caldo da vaporizzare la roccia in "condizioni normali".

La pressione è immensa e le cose smettono di comportarsi come sei abituato quando la pressione è molto alta. Ad esempio, tutti gli atomi in un gas sono spinti così vicini da toccarsi (come se fossero in un liquido). Ciò significa che non c'è punto di ebollizione e nessuna reale differenza tra la fase gassosa e quella liquida. A pressioni estreme, gli atomi di idrogeno vengono spinti così vicini che i loro elettroni possono iniziare a fluire da un atomo all'altro, formando un metallo fluido.

La pressione che può spingere gli atomi così vicini da trasformare l'idrogeno in un metallo significa che non puoi inviare una sonda in questa regione. Non puoi nuotare in un mare di idrogeno metallico.

Tuttavia, atomi più pesanti come ferro, silicio, carbonio, ossigeno, tenderanno a cadere verso il centro del pianeta, e quindi potrebbe esserci un dato che le rocce sono costituite principalmente da atomi come ferro, silicio, carbonio, ossigeno, potresti descrivere questo come un nucleo "roccioso". Ma non pensare che questo sia un tipo di superficie solida su cui potresti stare in piedi.


L'anno più lungo

Di solito non scrivo di oggetti da record scoperti di recente trovati dagli astronomi, perché in generale non passa molto tempo prima che il record cada. Ma in questo caso, farò un'eccezione per Kepler-421b. Ha l'anno più lungo, cioè ha il periodo orbitale più lungo intorno alla sua stella, per qualsiasi esopianeta mai visto incrociarsi davanti alla sua stella.*

Questo di per sé è sufficiente per renderlo un oggetto interessante, ma ancora più bello (letteralmente) è dove mette questo pianeta: abbastanza lontano dalla sua stella che potrebbe essersi formato in un modo diverso dagli altri pianeti che abbiamo rilevato intorno ad altre stelle . Potrebbe benissimo essere un gigante di ghiaccio, come Urano o Nettuno, e non un gigante gassoso o un pianeta roccioso.

Innanzitutto, esaminiamo le basi: la stella ospite è Kepler-421, una stella molto simile al Sole ma un po' più piccola e più fredda. Si trova a circa 1.000 anni luce di distanza, il che è giusto (la galassia della Via Lattea ha un diametro di 100.000 anni luce). Dalla Terra, questo rende la stella piuttosto debole.

Il pianeta, Kepler-421b, è stato scoperto dall'osservatorio Kepler, un telescopio spaziale che ha trovato molti degli esopianeti scoperti di recente. Usa il metodo del transito per trovare i pianeti se vediamo l'orbita del pianeta attorno alla sua stella di taglio, quindi ogni volta che il pianeta passa tra noi e la stella blocca un po' della luce della stella. È difficile, ad esempio, Kepler-421b blocca solo circa lo 0,3 percento della luce della stella. Ma con i rivelatori moderni, questo tipo di abbassamento della luce è rilevabile.

In generale, hai bisogno di tre transiti per essere sicuro di avere qualcosa. Se ne vedi solo uno, potrebbe essere una macchia stellare o qualche altro oggetto non planetario che interferisce con le tue osservazioni. Un secondo transito ti dice il periodo orbitale (l'anno) del pianeta, ma potrebbe comunque essere un punto stellare casuale. Se ottieni un terzo transita al giusto intervallo di tempo dopo il secondo, quindi puoi essere più sicuro.

Adattato da un diagramma di Greg Loughlin

Per Kepler-421b, gli astronomi hanno visto solo due transiti, il che mi ha reso sospettoso, ma dopo aver letto il loro articolo sono più propenso a pensare che l'abbiano capito. La forma della "curva di luce" e l'incredibile corrispondenza tra i due transiti rendono molto probabile che abbiano trovato un pianeta. Per il resto di questo articolo darò per scontato che esista, ma ricorda che deve ancora essere confermato in modo indipendente.

Kepler-421b è circa quattro volte il diametro della Terra (a giudicare da quanta luce stellare ha bloccato) e ha un anno lungo 704 giorni terrestri. È sorprendente che la maggior parte degli esopianeti trovati abbia periodi molto più brevi, come giorni o settimane. Quell'orbita lo colloca a circa 180 milioni di chilometri (110 milioni di miglia) dalla stella. Poiché la stella è più fredda del Sole, il pianeta riceve effettivamente circa un quarto della luce dalla sua stella come la Terra riceve dal Sole. È anche meno di quello che riceve Marte, quindi il pianeta è piuttosto freddo.

E questo ci porta alla seconda cosa interessante di questo pianeta. I pianeti si formano da ampi dischi di materiale che orbitano intorno alla stella quando è giovane. Chiudi dentro fa caldo (duh) in modo da non ottenere molto gas o ghiaccio. Il materiale nel disco è principalmente metallo e roccia. Più lontano ci sono ancora metallo e roccia, ma l'acqua è sotto forma di ghiaccio (questa distanza è chiamata "linea di neve", un termine che mi piace), e ce n'è in abbondanza. I pianeti giganti che si formano almeno così lontano hanno molto più ghiaccio di quelli più all'interno, e li chiamiamo giganti di ghiaccio. Per essere chiari, queste non sono palle di ghiaccio giganti, assomigliano molto ai giganti gassosi ma hanno più ghiaccio al loro interno rispetto a rocce e cose più dense.

Nel nostro sistema solare, Urano e Nettuno sono giganti di ghiaccio. Data la posizione di Kepler-421b, dovrebbe esserlo anche lui. Se assumiamo che sia denso quanto Urano, ha 16 volte la massa della Terra. Questo probabilmente gli darà un'atmosfera densa (e fa molto freddo, ricorda) quindi non è affatto simile alla Terra.

Ma è il primo gigante di ghiaccio visto in orbita attorno a un'altra stella. Abbiamo visto altri pianeti con masse e dimensioni simili, ma orbitano più vicini e sono probabilmente giganti gassosi. I giganti del ghiaccio possono benissimo essere abbastanza comuni tra gli esopianeti, ma sono piuttosto difficili da rilevare. Per uno, il lungo periodo significa che devi aspettare molto tempo per confermarli. Inoltre, più grande è l'orbita, meno è probabile che avremo un transito: un pianeta vicino alla sua stella può essere visto transitare da un'ampia gamma di angoli di visualizzazione, ma un pianeta più distante ha bisogno di un osservando la geometria (l'orbita deve essere più precisa di taglio) per poterla individuare.

Trovare Kepler-421b significa che gli astronomi potrebbero essere in grado di iniziare a trovarne altri. Vedere un pianeta potrebbe essere un'anomalia, ma se ne trovi altri 20 simili puoi iniziare a classificarli. Ciò significa che possono usare la fisica e i modelli per capire meglio come si formano i pianeti, specialmente così lontani dalla loro stella madre. Lo stiamo ancora cercando di capire per il nostro sistema solare, quindi avere altri esempi con cui confrontare e confrontare è molto utile.

E così quello è perché sono disposto a scrivere di un record, anche se quel record è presto battuto. Come al solito in astronomia, spero che lo sia! Questo trasforma questo pianeta da strano a primo membro della sua classe, e questo significa che impariamo cose. E gli astronomi amore cose da imparare.

*Correzione, 23 luglio 2014: Questo articolo originariamente affermava che Kepler-421b ha l'anno più lungo di qualsiasi esopianeta conosciuto. Ha l'anno più lungo di qualsiasi pianeta extrasolare trovato con il metodo di transito.


Nella ricerca dei cosiddetti esopianeti "Riccioli d'oro", ecco alcune delle caratteristiche desiderabili per uno:

  • Il pianeta deve trovarsi entro una certa distanza dalla sua stella madre, dove il pianeta sarebbe ipoteticamente in grado di trattenere l'acqua liquida sulla superficie senza che evapori nello spazio o si congeli. Questa regione non ha una distanza fissa, poiché dipende dalle dimensioni, dalla massa e dalla temperatura della stella.
  • Il pianeta ha bisogno di rimanere in un'orbita stabile che non lo porti troppo oltre la zona abitabile del suo sistema planetario. La maggior parte dei pianeti che abbiamo trovato ha orbite altamente eccentriche che regolarmente portano il pianeta troppo vicino alla sua stella e troppo lontano. Qualsiasi forma di vita esistente sul pianeta avrebbe difficoltà ad adattarsi ai rigidi sbalzi di temperatura.

In questa nota, non dovremmo escludere nessun pianeta in una di queste orbite oblunghe, poiché abbiamo scoperto alcune forme di vita sulla Terra - come batteri, funghi e archaea - che prosperano in ambienti molto ostili e apparentemente inospitali. Secondo Stephen Kaine - un astronomo, che ha contribuito a creare la galleria Habitable Zone , che fondamentalmente stima la distanza che ogni pianeta specifico dovrebbe essere dalla sua stella madre affinché l'acqua esistente sull'esopianeta rimanga in forma liquida (niente acqua = niente carbonio vita basata):

“Alcuni organismi possono fondamentalmente abbassare il loro metabolismo a zero per sopravvivere a condizioni di freddo molto lunghe. Sappiamo che altri possono resistere a condizioni di calore molto estreme se hanno uno strato protettivo di roccia o acqua. Sono stati anche condotti studi su spore, batteri e licheni della Terra, che mostrano che possono sopravvivere sia in ambienti difficili sulla Terra che nelle condizioni estreme dello spazio.

[Riferimento: "Forme di vita estreme potrebbero essere in grado di sopravvivere su pianeti extrasolari eccentrici"]

È anche pronto a sottolineare che non dovremmo necessariamente limitare la nostra ricerca agli esopianeti "super-Terra". Come abbiamo visto con il nostro sistema solare, i corpi celesti più abitabili non sono necessariamente altri pianeti, ma le lune in orbita attorno ad altri grandi corpi gassosi. Quindi, dobbiamo concludere che con la nostra conoscenza limitata del sistema solare alieno, potrebbe non essere troppo lontano dal segno supporre che i pianeti nudi della luna siano la regola, non l'eccezione, che apre uno strato completamente nuovo al pianeta abitabile davanti. Vi lascio con un'altra cosa da contemplare: una citazione parafrasata detta da Stephen Hawking: "È più probabile che ci sia una quantità insondabile di specie estranee e aliene invece che non ce ne sia affatto". Penso che si applichi sicuramente qui.


Quanto è "simile alla Terra" il pianeta più nuovo?

Nella corsa alla terra nota come caccia ai pianeti extrasolari, l'immobile più prezioso è pubblicizzato come "simile alla Terra". Lunedì 13 giugno, gli scienziati si sono affrettati a piantare la loro bandiera su un pezzo di roccia in fiamme in orbita attorno a una stella rossa.

Questo pianeta appena scoperto è circa sette volte la massa della Terra, e quindi il più piccolo pianeta extrasolare trovato in orbita attorno a una sequenza principale, o stella "nana" (stelle, come il nostro sole, che bruciano idrogeno).

Ci sono pianeti ancora più piccoli noti per esistere oltre il nostro sistema solare, ma hanno la sfortuna di circondare le pulsar, quei gusci che ruotano rapidamente di stelle morenti. Non si ritiene che tali pianeti siano abitabili a distanza, a causa dell'intensa radiazione emessa dalle pulsar.

Si pensa che i pianeti con dieci masse terrestri o meno siano rocciosi, mentre i pianeti più massicci sono probabilmente gassosi, poiché la loro gravità più forte significa che raccolgono e trattengono più gas durante la formazione planetaria. Finora sono stati trovati 155 pianeti extrasolari, ma la maggior parte di essi ha masse che sono più paragonabili al gassoso Giove che alla Terra rocciosa (Giove è 318 volte la massa della Terra).

Sebbene questo nuovo pianeta sia pubblicizzato come simile alla Terra a causa della sua massa relativamente bassa, i terrestri non vorranno affittare una casa lì in tempi brevi. Per prima cosa, la casa si scioglierebbe. Le temperature superficiali stimate per questo pianeta – da 200 a 400 gradi Celsius (da 400 a 750 gradi Fahrenheit) – sono dovute alla distanza ravvicinata del pianeta dalla sua stella.

Il pianeta risiede a soli 0,021 UA dalla stella Gliese 876 (1 AU è la distanza tra la Terra e il sole) e completa un'orbita in meno di due giorni terrestri. Il pianeta più vicino al sole nel nostro sistema solare & #8211 ardente Mercurio & #8211 è quasi 20 volte più lontano, in orbita a circa 0,4 AU.

"Poiché il pianeta si trova in un'orbita di due giorni, viene riscaldato a temperature simili a quelle del forno, quindi non ci aspettiamo la vita", afferma il membro del team scientifico Paul Butler della Carnegie Institution di Washington.

Nel nostro sistema solare, la zona abitabile – la regione temperata dove l'acqua potrebbe esistere come un liquido sulla superficie di un pianeta– è approssimativamente da 0,95 a 1,37 UA, o tra le orbite di Venere e Marte. La stella Gliese 876 è circa 600 volte meno luminosa del nostro sole, quindi la zona abitabile proposta è molto più vicina, all'incirca tra 0,06 e 0,22 UA.

A 0,021 UA, il nuovo pianeta è troppo vicino alla stella per trovarsi nella zona abitabile, ed è anche soggetto a maggiori quantità di radiazioni ad alta energia come la luce ultravioletta e i raggi X. Mentre le nane rosse come Gliese 876 emettono livelli inferiori di UV rispetto alle stelle come il nostro sole, emettono violenti bagliori di raggi X.

Un'altra complicazione di un'orbita così stretta è che il pianeta potrebbe essere bloccato in base alle maree, con lo stesso lato del pianeta sempre rivolto verso la stella. A meno che non ci sia un'atmosfera sostanziale per distribuire il calore, un lato del pianeta sarà troppo cotto mentre l'altro rimarrà freddo.

Si pensa che Gliese 876 abbia circa 11 miliardi di anni, il che lo rende più del doppio del nostro sole. Ma in un certo senso, Gliese è un adolescente per l'adulto di mezza età del nostro sole. Le stelle di classe G come il nostro sole vivono circa 10 miliardi di anni, mentre si pensa che le nane rosse di classe M vivano per 100 miliardi di anni (più vecchie dell'età dell'universo!).

Il membro del team scientifico Geoff Marcy dell'Università della California, Berkeley, afferma che le stelle M impiegano molto tempo per raffreddarsi e ridursi alla loro dimensione e luminosità della sequenza principale. Dice che se il pianeta è migrato verso l'interno fino alla sua attuale orbita ravvicinata, probabilmente ha fatto questo movimento durante i primi milioni di anni, e poi è stato soggetto a molte più radiazioni di quelle attuali per centinaia di milioni di anni.

Combinando l'elevata sensibilità dei telescopi spaziali con le immagini nitide e dettagliate di un interferometro, il TPF sarà in grado di ridurre il bagliore delle stelle madri per vedere sistemi planetari fino a 50 anni luce.
Credito: NASA

Si pensa che Gliese 876 sia povero di metalli (per un astronomo, qualsiasi elemento più pesante dell'idrogeno e dell'elio è classificato come "metallo"). La formazione dei pianeti può essere correlata alla metallicità della stella, poiché sia ​​la stella che i pianeti si formano dallo stesso materiale originale. Quindi un pianeta roccioso come la Terra, fatto di elementi come silicati e ferro, dovrebbe orbitare attorno a una stella ricca di metalli.

Nonostante sia povero di metalli, Gliese 876 è un sistema a più pianeti. È noto che due pianeti giganti gassosi orbitano attorno a Gliese 876: il pianeta più esterno ha quasi il doppio della massa di Giove e orbita a 0,21 UA, il pianeta centrale è circa la metà della massa di Giove, orbita a 0,13 UA.

"L'intero sistema planetario è una specie di miniatura del nostro sistema solare", afferma Marcy. "La stella è piccola, le orbite sono piccole, e più vicino è la più piccola di esse, proprio come lo è l'architettura nel nostro sistema solare, con i pianeti più piccoli che orbitano verso l'interno dei giganti."

Abbiamo molto più spazio di manovra nel nostro sistema solare. Mercurio è più lontano dal sole delle distanze di tutti questi pianeti messi insieme. I pianeti nel sistema Gliese 876 sono così vicini tra loro che interagiscono gravitazionalmente tra loro. Questo tipo di tiro alla fune gravitazionale è stato il modo in cui gli scienziati sono stati in grado di rilevare i pianeti in primo luogo.

Nel corso di un'orbita, i pianeti attireranno gravitazionalmente la loro stella da lati diversi. Gli scienziati misurano lo spostamento risultante nella luce delle stelle per determinare l'esistenza di pianeti in orbita.

Il vero punto blu pallido simile alla Terra. Vista dallo spazio.
Credito: NASA

Per saperne di più sul pianeta più piccolo di Gliese 876 e 8217, gli scienziati dovrebbero utilizzare un'altra tecnica di ricerca dei pianeti chiamata fotometria di transito. Questo metodo esamina come la luce di una stella sembra abbassarsi quando un pianeta passa davanti alla stella dal nostro campo visivo. L'eclissi del pianeta orbitante consente agli astronomi di determinare la massa e il raggio di quel pianeta. Appuntare quei numeri indica la densità del pianeta, che quindi suggerisce di cosa è fatto il pianeta e se il pianeta è roccioso o gassoso.

Tuttavia, la fotometria di transito non può essere utilizzata per dirci nulla sui pianeti in orbita attorno a Gliese 876, perché il sistema è inclinato di 40 gradi dal nostro punto di vista. Questo angolo significa che i pianeti non bloccheranno nessuna luce stellare che raggiunge la Terra.

Le nane rosse sono il tipo di stella più comune nella nostra galassia, comprendendo circa il 70% di tutte le stelle. Eppure, delle 150 nane rosse che hanno studiato nel corso degli anni, Marcy e Butler hanno trovato solo pianeti in orbita attorno a due di loro. Poiché la maggior parte dei pianeti trovati finora sono giganti gassosi, ciò potrebbe significare che le nane rosse sono meno adatte ad ospitare quel tipo di mondi.

Marcy dice che continueranno a monitorare Gliese 876 per qualsiasi indizio di un quarto o quinto pianeta. "Questa sarà sicuramente una delle nostre star preferite d'ora in poi", osserva.

Una corsa verso il traguardo

Il documento di ricerca che descrive questa scoperta è stato presentato all'Astrophysical Journal. Gli scienziati affermano di aver ricevuto un rapporto favorevole dell'arbitro preliminare e si aspettano che il loro documento venga accettato e quindi pubblicato in pochi mesi. Durante la conferenza stampa di lunedì, agli scienziati è stato chiesto perché hanno deciso di pubblicizzare la loro scoperta ora, prima che il documento fosse accettato per la pubblicazione. Era per battere altri cacciatori di pianeti che potrebbero essere alle loro calcagna?

Marcy ha risposto che volevano evitare che la notizia della loro scoperta trapelasse. "Lo sapevamo tre anni fa, lo abbiamo seguito in silenzio, con attenzione, custodendo il segreto mentre ricontrollavamo due volte e tre volte. Poi circa un mese fa ho parlato con Michael Turner qui, gente della NSF (National Science Foundation), e insieme abbiamo deciso che questa scoperta era così straordinaria, forse quella che chiamereste una pietra miliare nella scienza planetaria, che era difficile immaginare di mantenere il coperchio su questo per molto più tempo. Quindi abbiamo deciso che, piuttosto che farlo trapelare ai media ed essere dribblato in giro, con un giornale che ne veniva a conoscenza presto e così via, che sarebbe stato meglio annunciarlo rapidamente."

Marcy si è quindi lanciato in una difesa per il motivo per cui credeva che la loro scoperta fosse corretta, ed è stato rapidamente sostenuto dai suoi compagni di squadra. Tuttavia, l'accuratezza della loro scoperta non era stata messa in discussione. Forse il loro annuncio anticipato, unito alla necessità di segretezza preventiva, è la prova dell'intensa competizione che ha contraddistinto la caccia al pianeta fin dall'inizio.

La prima scoperta di un pianeta extrasolare fu annunciata il 5 ottobre 1995 da Michel Mayor e Didier Queloz dell'Osservatorio di Ginevra, e Marcy e Butler confermarono le osservazioni la settimana successiva. Un esempio recente della competizione per afferrare un altro pianeta extrasolare "first" si è verificato la scorsa estate, quando il 25 agosto 2004, il sindaco, Nuno Santos e colleghi hanno annunciato la scoperta del primo pianeta extrasolare con massa di Nettuno — all'epoca il più piccolo pianeta noto per orbitare attorno a una stella simile al sole. Questo annuncio è arrivato meno di una settimana prima che Marcy e Butler annunciassero altre due scoperte di pianeti con massa di Nettuno.

Mayor ei suoi colleghi hanno anche studiato Gliese 876. In una conferenza di astronomia nel giugno 1998, Mayor e Marcy hanno annunciato ciascuno indipendentemente l'individuazione del gigante gassoso più massiccio in orbita attorno a questa stella. Marcy e Butler sono stati i primi a dare seguito a questa scoperta, annunciando la scoperta del secondo pianeta gigante gassoso della stella nel 2001.

La missione Kepler, il cui lancio è previsto per giugno 2008, cercherà pianeti terrestri in orbita attorno a stelle lontane. La missione definisce un pianeta delle dimensioni della Terra come compreso tra 0,5 e 2,0 masse terrestri o tra 0,8 e 1,3 di diametro terrestre. I pianeti tra 2 e 10 masse terrestri, come il pianeta annunciato lunedì, sono definiti grandi pianeti terrestri.


Perché pianeti come Nettuno e Urano hanno nuclei rocciosi delle dimensioni della Terra e tuttavia atmosfere follemente enormi, e tuttavia la Terra ha un'atmosfera così sottile?

Domanda a margine: la Terra è il " nucleo roccioso" del nostro pianeta?

Fondamentalmente, questo ha a che fare con dove nel Sistema Solare si formò il pianeta.

Primo, c'è un concetto nella scienza planetaria noto come "linea del gelo". Attualmente questo si trova a circa 5 AU, dove 1 AU = distanza Terra-Sole, sebbene 4,6 miliardi di anni fa, quando i pianeti si stavano formando, pensiamo fosse più vicino a 3 AU.

In secondo luogo, i pianeti si formano dapprima accumulando lentamente grumi solidi attraverso l'attrazione gravitazionale reciproca. Ad un certo punto l'attrazione gravitazionale del protopianeta è abbastanza forte da poter iniziare a trattenere i gas. I gas pesanti come l'anidride carbonica si muovono quasi 7 volte più lentamente dei gas leggeri come l'idrogeno, quindi i gas pesanti hanno molto più difficoltà a raggiungere la velocità di fuga del pianeta. Di conseguenza, un protopianeta in formazione trattiene prima i gas pesanti se riesce a raggiungerlo

10 masse terrestri, la sua attrazione gravitazionale sarà abbastanza forte da trattenere anche gas leggeri come l'idrogeno.

Ora mettiamoli insieme: all'interno della linea del gelo, l'unico solido che i protopianeti possono utilizzare per iniziare a formarsi è la roccia. Al di fuori della linea del gelo, sia la roccia che il ghiaccio sono solidi, quindi la formazione di pianeti può utilizzare entrambi. e c'è molto ghiaccio. Se sei abbastanza lontano, questo può includere anche ghiaccio di anidride carbonica, ghiaccio di ammoniaca, ghiaccio di azoto, ecc.

Nel caso della Terra, si è formata da ciò che la roccia era intorno - circa 1 massa terrestre di essa. Ciò ha fornito una gravità sufficiente per trattenere gas più pesanti come azoto e anidride carbonica, ma non gas leggeri come l'idrogeno o l'elio.

Nel caso di Nettuno, era abbastanza lontano da formarsi dalla roccia e da diverse varietà di ghiaccio. e c'è molto ghiaccio. In massa, Nettuno si è formato da circa l'80% di acqua + ammoniaca, circa il 5% di roccia e circa il 15% di idrogeno + elio. Se sommi solo la roccia e il ghiaccio, ottieni circa 14 masse terrestri. È appena oltre la soglia delle 10 masse terrestri per trattenere l'idrogeno, ma probabilmente ha attraversato quella soglia solo alla fine del gioco, e quindi è riuscito a raccogliere solo circa 3 masse terrestri di idrogeno prima che la nebulosa solare si dissipasse. Questo è esattamente il motivo per cui preferiamo il termine "icegigante" per Urano e Nettuno piuttosto che gigante gassoso.

Domanda a margine: la Terra è il " nucleo roccioso" del nostro pianeta?

Certo, con una prima approssimazione molto ragionevole, potresti dire Terra è un nucleo roccioso. La differenza è che all'interno di pianeti giganti, il nucleo roccioso è sottoposto a pressioni incredibili, molto più grandi di qualsiasi altra cosa al centro del nostro pianeta. Le cose si riscaldano e si comprimono insolitamente lì (la roccia è circa 4 volte più densa nel nucleo di Giove come lo è sulla Terra, e molto probabilmente non è solida) e stati esotici della materia possono sorgere in condizioni di tale alta pressione.


Ci sono 6 "materiali più forti" sulla terra che sono più duri dei diamanti

Le configurazioni atomiche e molecolari sono disponibili in un numero quasi infinito di possibili combinazioni, ma il . [+] combinazioni specifiche trovate in qualsiasi materiale ne determinano le proprietà. Mentre i diamanti sono classicamente visti come il materiale più duro trovato sulla Terra, non sono né il materiale più forte in generale né il materiale più forte che si trova in natura. Al momento ci sono sei tipi di materiali noti per essere più resistenti, anche se si prevede che tale numero aumenterà con il passare del tempo.

Il carbonio è uno degli elementi più affascinanti di tutta la natura, con proprietà chimiche e fisiche diverse da qualsiasi altro elemento. Con solo sei protoni nel suo nucleo, è l'elemento più leggero e abbondante in grado di formare una sfilza di legami complessi. Tutte le forme di vita conosciute sono a base di carbonio, poiché le sue proprietà atomiche gli consentono di collegarsi con un massimo di altri quattro atomi alla volta. Le possibili geometrie di tali legami consentono inoltre al carbonio di autoassemblarsi, in particolare ad alte pressioni, in un reticolo cristallino stabile. Se le condizioni sono giuste, gli atomi di carbonio possono formare una struttura solida e ultra dura nota come diamante.

Sebbene i diamanti siano comunemente noti come il materiale più duro al mondo, in realtà ci sono sei materiali che sono più duri. I diamanti sono ancora uno dei materiali più duri e abbondanti presenti in natura sulla Terra, ma questi sei materiali ce l'hanno tutti.

La ragnatela del ragno corteccia di Darwin è la più grande ragnatela a forma di globo prodotta da qualsiasi ragno sulla Terra, e . [+] la seta del ragno corteccia di Darwin è la più resistente di qualsiasi tipo di seta di ragno. Il singolo filo più lungo è misurato a 82 piedi, un filo che circondava l'intera Terra peserebbe solo 1 libbra.

Carles Lalueza-Fox, Ingi Agnarsson, Matjaž Kuntner, Todd A. Blackledge (2010)

Menzione d'onore: ci sono tre materiali terrestri che non sono così duri come il diamante, ma sono comunque notevolmente interessanti per la loro forza in una varietà di mode. Con l'avvento della nanotecnologia - insieme allo sviluppo di comprensioni su nanoscala dei materiali moderni - ora riconosciamo che ci sono molte metriche diverse per valutare materiali fisicamente interessanti ed estremi.

Dal punto di vista biologico, la seta di ragno è nota come la più dura. Con un rapporto resistenza-peso più elevato rispetto alla maggior parte dei materiali convenzionali come l'alluminio o l'acciaio, è anche notevole per quanto sia sottile e appiccicoso. Di tutti i ragni del mondo, i ragni corteccia di Darwin hanno il più duro: dieci volte più forte del kevlar. È così sottile e leggero che circa una libbra (454 grammi) della seta di corteccia di ragno di Darwin formerebbe un filo abbastanza lungo da tracciare la circonferenza dell'intero pianeta.

Il carburo di silicio, mostrato qui dopo l'assemblaggio, si trova normalmente come piccoli frammenti del naturale . [+] moissanite minerale presente. I grani possono essere sinterizzati insieme per formare strutture complesse e belle come quella mostrata qui in questo campione di materiale. È duro quasi quanto il diamante ed è stato sintetizzato sinteticamente e conosciuto naturalmente dalla fine del 1800.

Per essere un minerale naturale, il carburo di silicio, che si trova naturalmente sotto forma di moissanite, ha una durezza solo leggermente inferiore rispetto ai diamanti. (È ancora più duro di qualsiasi seta di ragno.) Una miscela chimica di silicio e carbonio, che occupano la stessa famiglia nella tavola periodica l'uno dell'altro, i grani di carburo di silicio sono stati prodotti in serie dal 1893. Possono essere legati insieme attraverso un alto- processo a pressione ma a bassa temperatura noto come sinterizzazione per creare materiali ceramici estremamente duri.

Questi materiali non sono solo utili in un'ampia varietà di applicazioni che sfruttano la durezza, come i freni e le frizioni delle auto, le piastre nei giubbotti antiproiettile e persino le armature da battaglia adatte ai carri armati, ma hanno anche proprietà dei semiconduttori incredibilmente utili per l'uso nell'elettronica.

Gli array ordinati di pilastri, mostrati qui in verde, sono stati utilizzati dagli scienziati come mezzi porosi avanzati per . [+] separa vari materiali. Incorporando nanosfere di silice, qui, gli scienziati possono aumentare la superficie utilizzata per separare e filtrare i materiali misti. Le nanosfere mostrate qui sono solo un esempio particolare di nanosfere e la varietà autoassemblante è quasi alla pari con i diamanti per la resistenza del materiale.

Oak Ridge National Laboratories / flickr

Minuscole sfere di silice, da 50 nanometri di diametro fino a soli 2 nanometri, sono state create per la prima volta circa 20 anni fa presso i Sandia National Laboratories del Dipartimento dell'Energia. La cosa notevole di queste nanosfere è che sono cave, si autoassemblano in sfere e possono persino annidarsi l'una nell'altra, pur rimanendo il materiale più rigido conosciuto dall'umanità, solo leggermente meno duro dei diamanti.

L'autoassemblaggio è uno strumento incredibilmente potente in natura, ma i materiali biologici sono deboli rispetto a quelli sintetici. Queste nanoparticelle autoassemblanti potrebbero essere utilizzate per creare materiali personalizzati con applicazioni da migliori depuratori d'acqua a celle solari più efficienti, da catalizzatori più veloci all'elettronica di prossima generazione. La tecnologia dei sogni di queste nanosfere autoassemblanti, tuttavia, è un'armatura stampabile, personalizzata in base alle specifiche dell'utente.

I diamanti possono essere commercializzati come per sempre, ma hanno limiti di temperatura e pressione proprio come qualsiasi . [+] altro materiale convenzionale. Sebbene la maggior parte dei materiali terrestri non possa graffiare un diamante, ci sono sei materiali che, almeno sotto molti aspetti, sono più forti e/o più duri di questi reticoli di carbonio presenti in natura.

I diamanti, ovviamente, sono più duri di tutti questi e continuano a essere al numero 7 nella lista di tutti i tempi dei materiali più duri trovati o creati sulla Terra. Nonostante il fatto che siano stati superati sia da altri materiali naturali (ma rari) che da quelli sintetici e creati dall'uomo, detengono ancora un record importante.

I diamanti rimangono il materiale più resistente ai graffi conosciuto dall'umanità. I metalli come il titanio sono molto meno resistenti ai graffi e anche le ceramiche estremamente dure o il carburo di tungsteno non possono competere con i diamanti in termini di durezza o resistenza ai graffi. Altri cristalli noti per la loro estrema durezza, come rubini o zaffiri, sono ancora inferiori ai diamanti.

Ma sei materiali hanno persino il tanto decantato diamante in termini di durezza.

Proprio come il carbonio può essere assemblato in una varietà di configurazioni, il nitruro di boro può assumere . [+] configurazioni amorfe, esagonali, cubiche o tetraedriche (wurtzite). La struttura del nitruro di boro nella sua configurazione wurtzite è più forte dei diamanti. Il nitruro di boro può essere utilizzato anche per costruire nanotubi, aerogel e un'ampia varietà di altre affascinanti applicazioni.

Benjah-bmm27 / dominio pubblico

6.) Wurtzite nitruro di boro. Invece del carbonio, puoi creare un cristallo da un certo numero di altri atomi o composti, e uno di questi è il nitruro di boro (BN), dove il quinto e il settimo elemento della tavola periodica si uniscono per formare una varietà di possibilità. Può essere amorfo (non cristallino), esagonale (simile alla grafite), cubico (simile al diamante, ma leggermente più debole) e la forma wurtzite.

L'ultima di queste forme è estremamente rara, ma anche estremamente difficile. Formata durante le eruzioni vulcaniche, è stata scoperta solo in quantità minime, il che significa che non abbiamo mai testato sperimentalmente le sue proprietà di durezza. Tuttavia, forma un diverso tipo di reticolo cristallino, tetraedrico anziché cubico a facce centrate, che è il 18% più duro del diamante, secondo le simulazioni più recenti.

Due diamanti dal cratere Popigai, un cratere formato con la nota causa di un urto di meteoriti. Il . [+] l'oggetto a destra (contrassegnato con a) è composto esclusivamente da diamante, mentre l'oggetto a sinistra (contrassegnato con b) è una miscela di diamante e piccole quantità di lonsdaleite. Se la lonsdaleite potesse essere costruita senza impurità di alcun tipo, sarebbe superiore in termini di forza e durezza al diamante puro.

Hiroaki Ohfuji et al., Natura (2015)

5.) Lonsdaleite. Immagina di avere una meteora piena di carbonio, e quindi contenente grafite, che sfreccia attraverso la nostra atmosfera e si scontra con il pianeta Terra. Mentre potresti immaginare una meteora che cade come un corpo incredibilmente caldo, sono solo gli strati esterni che diventano caldi, gli interni rimangono freschi per la maggior parte (o addirittura, potenzialmente, tutto) del loro viaggio verso la Terra.

Upon impact with Earth's surface, however, the pressures inside become larger than any other natural process on our planet's surface, and cause the graphite to compress into a crystalline structure. It doesn't possess the cubic lattice of a diamond, however, but a hexagonal lattice, which can actually achieve hardnesses that are 58% greater than what diamonds achieve. While real examples of Lonsdaleite contain sufficient impurities to make them softer than diamonds, an impurity-free graphite meteorite striking the Earth would undoubtedly produce material harder than any terrestrial diamond.

This image shows a close-up of a rope made with LIROS Dyneema SK78 hollowbraid line. For certain . [+] classes of applications where one would use a fabric or steel rope, Dyneema is the strongest fiber-type material known to human civilization today.

Justsail / Wikimedia Commons

4.) Dyneema. From hereon out, we leave the realm of naturally occurring substances behind. Dyneema, a thermoplastic polyethylene polymer, is unusual for having an extraordinarily high molecular weight. Most molecules that we know of are chains of atoms with a few thousand atomic mass units (protons and/or neutrons) in total. But UHMWPE (for ultra-high-molecular-weight polyethylene) has extremely long chains, with a molecular mass in the millions of atomic mass units.

With very long chains for their polymers, the intermolecular interactions are substantially strengthened, creating a very tough material. It's so tough, in fact, that it has the highest impact strength of any known thermoplastic. It has been called the strongest fiber in the world, and outperforms all mooring and tow ropes. Despite being lighter than water, it can stop bullets and has 15 times the strength of a comparable amount of steel.

Micrograph of deformed notch in palladium-based metallic glass shows extensive plastic shielding of . [+] an initially sharp crack. Inset is a magnified view of a shear offset (arrow) developed during plastic sliding before the crack opened. Palladium microalloys have the highest combined strength and toughness of any known material.

Robert Ritchie and Marios Demetriou

3.) Palladium microalloy glass. It's important to recognize that there are two important properties that all physical materials have: strength, which is how much force it can withstand before it deforms, and toughness, which is how much energy it takes to break or fracture it. Most ceramics are strong but not tough, shattering with vice grips or even when dropped from only a modest height. Elastic materials, like rubber, can hold a lot of energy but are easily deformable, and not strong at all.

Most glassy materials are brittle: strong but not particularly tough. Even reinforced glass, like Pyrex or Gorilla Glass, isn't particularly tough on the scale of materials. But in 2011, researchers developed a new microalloy glass featuring five elements ( phosphorous, silicon, germanium, silver and palladium), where the palladium provides a pathway for forming shear bands, allowing the glass to plastically deform rather than crack. It defeats all types of steel, as well as anything lower on this list, for its combination of both strength and toughness. It is the hardest material to not include carbon.

Freestanding paper made of carbon nanotubes, a.k.a. buckypaper, will prevent the passage of . [+] particles 50 nanometers and larger. It has unique physical, chemical, electrical and mechanical properties. Although it can be folded or cut with scissors, it's incredibly strong. With perfect purity, it's estimated it could reach up to 500 times the strength of a comparable volume of steel. This image shows NanoLab's buckypaper under a scanning electron microscope.

2.) Buckypaper. It is well-known since the late 20th-century that there's a form of carbon that's even harder than diamonds: carbon nanotubes. By binding carbon together into a hexagonal shape, it can hold a rigid cylindrical-shaped structure more stably than any other structure known to humankind. If you take an aggregate of carbon nanotubes and create a macroscopic sheet of them, you can create a thin sheet of them: buckypaper.

Each individual nanotube is only between 2 and 4 nanometers across, but each one is incredibly strong and tough. It's only 10% the weight of steel but has has hundreds of times the strength. It's fireproof, extremely thermally conductive, possesses tremendous electromagnetic shielding properties, and could lead to materials science, electronics, military and even biological applications. But buckypaper cannot be made of 100% nanotubes, which is perhaps what keeps it out of the top spot on this list.

Graphene, in its ideal configuration, is a defect-free network of carbon atoms bound into a . [+] perfectly hexagonal arrangement. It can be viewed as an infinite array of aromatic molecules.

AlexanderAlUS/CORE-Materials of flickr

1.) Graphene. At last: a hexagonal carbon lattice that's only a single atom thick. That's what a sheet of graphene is, arguably the most revolutionary material to be developed and utilized in the 21st century. It is the basic structural element of carbon nanotubes themselves, and applications are growing continuously. Currently a multimillion dollar industry, graphene is expected to grow into a multibillion dollar industry in mere decades.

In proportion to its thickness, it is the strongest material known, is an extraordinary conductor of both heat and electricity, and is nearly 100% transparent to light. The 2010 Nobel Prize in Physics went to Andre Geim and Konstantin Novoselov for groundbreaking experiments involving graphene, and the commercial applications have only been growing. To date, graphene is the thinnest material known, and the mere six year gap between Geim and Novoselov's work and their Nobel award is one of the shortest in the history of physics.

The K-4 crystal consists exclusively of carbon atoms arranged in a lattice, but with an . [+] unconventional bond angle compared to either graphite, diamond, or graphene. These inter-atomic properties can lead to drastically different physical, chemical, and material properties even with identical chemical formulas for a variety of structures.

Workbit / Wikimedia Commons

The quest to make materials harder, stronger, more scratch-resistant, lighter, tougher, etc., is probably never going to end. If humanity can push the frontiers of the materials available to us farther than ever before, the applications for what becomes feasible can only expand. Generations ago, the idea of microelectronics, transistors, or the capacity to manipulate individual atoms was surely exclusive to the realm of science-fiction. Today, they're so common that we take all of them for granted.

As we hurtle full-force into the nanotech age, materials such as the ones described here become increasingly more important and ubiquitous to our quality of life. It's a wonderful thing to live in a civilization where diamonds are no longer the hardest known material the scientific advances we make benefit society as a whole. As the 21st century unfolds, we'll all get to see what suddenly becomes possible with these new materials.


Giant Rings of Saturn and a Moon Full of Space Lakes

The planet Saturn takes its name from a Roman god of agriculture. And of all the planets revolving around our sun, it’s “cultivated” — if you will — the greatest ring system by far.

Beautiful rings filled with ice, dust and rock orbit its equator. The widest one, called the Phoebe Ring, has an outer edge that’s 3.8 to 10.1 million miles (or 6 to 16.2 million kilometers) away from Saturn itself. For comparison, do you know what the average distance is between Earth and its moon? A paltry 238,855 miles, or 384,400 kilometers. Once again, astronomy puts the human ego in check.

Saturn’s rings get all the attention, but science buffs shouldn’t ignore its other attributes. The sixth planet in our solar system, it’s also the second biggest after Jupiter. Those two are in a league of their own. If you mushed every planet from Mercury to Neptune together, Saturn and Jupiter alone would account for over 90 percent of their cumulative mass.

Despite its immense size, Saturn is the least dense planet in the sun’s orbit — and the least spherical, too. We’ll need to look at its physical makeup to understand why.

The Oblong World of Saturn

Research published in 2019 showed that a day on Saturn lasts just 10 hours, 33 minutes and 38 seconds. Its spin rate helps explain one of the ringed world’s stranger qualities.

You see Saturn has a huge waistline. The planet’s equator is 74,898 miles (120,536 kilometers) in diameter. Yet Saturn’s pole-to-pole diameter is much smaller, equivalent to just 67,560 miles (108,728 kilometers). So in a manner of speaking, Saturn is 10 percent wider than it is tall.

Astronomers call that kind of disparity an equatorial bulge. Every planet in the solar system has one, but Saturn’s is the most extreme. Spin an object — any object — and its outside edge will move at a faster rate than its center does. That’s physics for you.

Saturn rotates around its axis at a very high speed hence, the brevity of its days. And here’s where density comes into play. Like Jupiter, Saturn is a gas giant. Such worlds predominantly consist of hydrogen and helium — and whereas Earth is solid on the outside, gas giants are not. (They may, however, have hard inner cores.)

Now Saturn is downright huge in terms of volume. Some 764 Earth-sized objects could fit inside it and the planet’s 95 times as massive as our home world. And yet relative to its size, Earth is eight times denser.

In fact, water — yes, plain water — is denser than Saturn. (Although that doesn’t mean the planet would float, contrary to popular belief.) Thanks to its low, low density and zippy rotation speed, Saturn’s been deformed into an oblong world that looks kind of squished in profile.

Spots, Loops and Hexagons

Jupiter’s southern hemisphere has an ongoing storm called the Great Red Spot. The Saturnian answer to this is the Great White Spots, periodic tempests that arise every 20 to 30 Earth years. First detected in 1876, the weather events are colossal in scale.

NASA’s Cassini spacecraft spent 13 productive years hovering around Saturn. On Dec. 5, 2010, it witnessed the most recent iteration of the Great White Spot phenomenon.

The storm was about 800 miles (1,300 kilometers) wide by 1,600 miles (2,500 kilometers) long when it first began.

But over the next six months, the “spot” expanded longitudinally until it had looped itself around the planet in a gigantic circle.

Some researchers think the Great White Spots might be part of a cycle that sees the outer layer of Saturn’s atmosphere slowly lose heat, allowing the warm air from lower levels to burst upward.

Up at the Saturnian north pole, there’s a cloud pattern shaped like a giant hexagon. This pleasantly symmetrical jet stream spins counterclockwise, measures about 20,000 miles (32,000 kilometers) across and includes a hurricane that’s been swirling right over the pole ever since it was discovered back in 1988.

Saturn’s the Ring Leader

Of course, it’s not the hexagon that earned Saturn a place on Chuckie Finster’s T-shirt. The gas giant owes its popularity to the ring system encircling it.

Planetary rings aren’t rare per se: Jupiter, Uranus and Neptune have them as well. Yet in terms of sheer scale, the network around Saturn is totally unrivaled.

Most of the primary rings come with letter names. The closest one to the home planet is called the “D” Ring, which has an inner radius of about 66,900 kilometers (41,569 miles). It’s surrounded by the C, B, A, F, G and E Rings — in that order. By the way, the rings aren’t arranged alphabetically because this naming system reflects the dates of their discovery. “A,” “B” and “C” were sighted before the rest.

When measured from its outside edge, the “E” ring showcases an impressive 480,000-kilometer (298,258-mile) radius. Or at least, that looks impressive until you get to know the big bad Phoebe Ring we mentioned earlier. First spotted in 2009, this one was named after a Saturnian moon.

Untold trillions of ice, rock and dust particles make up these rings. Some bits are the size of a sugar grain others could probably dwarf your house. In any case, the ring material is stretched remarkably thin. Saturnian rings range from 1.9 miles (3 kilometers) to just 32 feet (10 meters).

So proportionately, the gas giant’s iconic rings are thinner than a typical sheet of writing paper, noted astronomer Phil Plait.

Whereas Saturn itself is probably around 4.5 billion years old, the age of its rings isn’t as clear. Some scientists think they were formed 10 million to 100 million years ago, when an icy comet — or some ice-covered moons — came too close to the planet. The visitor(s) met a grisly end, getting ripped to pieces by Saturn’s gravity. As those fragments collided, they grew smaller and multiplied, giving rise to the skinny system we all know today.

On the other hand, a 2019 paper argued the rings might’ve originated at an early stage in the history of our solar system. We’ll have to see how the debate unfolds as new evidence arises.

There’s never been a better time to join Saturn’s fan club. On Oct. 7, 2019, the International Astronomical Union heralded the discovery of 20 newfound moons orbiting the gas giant. With these bodies added to the mix, there are now 82 verified Saturnian moons altogether. No other planet in the solar system has that many natural satellites — not even mighty Jupiter!

You can find Saturn’s moons in, around and beyond the ring system. Before Cassini was retired in 2017, it revealed that some of them gather clumps of dust and ice from the rings.

Arguably no Saturnian moon has attracted more interest than Titan. The solar system’s second-biggest moon overall, it’s dotted with seas, lakes and rivers of liquid methane and ethane. There’s only one other body within the sun’s orbit that has standing pools of liquid. Here’s a hint: You’re sitting on it right now.

Titan is also noteworthy for having an atmosphere. And it’s theorized there could be “ice volcanoes” that spew water instead of lava. Sounds like a paradise. Maybe that’s where “Frozen III” should take place.


PLANETPLANET

The biggest tragedy in the history of the Universe

Not too long ago we used the tools from the Building the Ultimate Solar System series to build a Hulk of a planetary system. Our mega-system boasts 16 stars, spans 1000 Astronomical Units, and is host to more than 400 habitable worlds! It looks like this:

Our Ultimate Solar System, a planetary system built on the infrastructure of a gravitationally-bound system of 16 stars. This post explains how this system was built.

I have a story to tell you about this titanic system. But be warned: it is the most tragic story you have every heard. In fact, it is the most tragic story that anyone has ever heard, not only on Earth but in the history of the entire Universe! This may sound overly dramatic but I can prove it. I’ll explain at the end.

The story has a cheerful start. Within a giant swirling cloud of molecular gas, a marvelous planetary system was born. The system was more bountiful, more beautiful, more fertile than any other. It was perfect in every way.

This spectacular system was home to 480 worlds capable of hosting life (half of the stars hosted what we called Ultimate Solar System 1 and half hosted Ultimate Solar System 2 see here for details). They blossomed into a diversity of life-bearing planets and moons. Some were covered in oceans while others were mostly land. Some had thick atmospheres and some had thin atmospheres. Some had broad ice-covered plateaus and mountains, and others were hot with expansive deserts.

Life developed on some planets and moons and spread through the system. Every time a life-bearing planet was hit by a stray comet or asteroid, pieces of rock containing microbes were launched into orbit. These microbe-infested rocks landed on other planets and moons in the system and delivered the seeds of life.

Within just a few hundred million years all 480 worlds had life. Some only hosted single-celled creatures but others had complex life like plants and animals. A handful of planets and moons even developed intelligent life, advanced life that started to observed the heavens. Space travel and colonization of other planets were not far off.

But trouble was brewing. Big trouble.

The villain in this story is the Galaxy itself. But it is an unwitting villain. The Galaxy is not evil, it just can’t help itself. What does the Cookie Monster do if you put Cookie in front of it? He eats it. That’s just what he does, it is his nature. The same goes for the Galaxy.

What did the Galaxy do that was so terrible, that caused such tragedy? The same thing it always does and is doing right now. It torqued.

Lasciatemi spiegare. Our Milky Way Galaxy looks like a giant pancake with a golf ball in the middle. The Sun is located within the pancake, about two thirds of the way out from the center.

Most nearby stars live within the Galactic pancake. That’s why at night (in a dark place far from city lights) the Milky Way looks like a band stretching across the sky. That band is the combined light of countless millions of stars that are all in the same pancake as us.

The Galactic pancake is not perfectly smooth. It has the most stars in a very thin layer (the thin disk) and fewer stars above and below. It also has clumps and spirals. This matters because this non-smoothness equals differences in gravity.

Imagine a comet orbiting a star within the Galaxy. Because the Galaxy is not perfectly smooth, the star and planet feel slightly gravity from the surrounding stars and gas in the Galaxy. This difference in gravity kicks the comet’s orbit around the star. Sometimes a star whizzes kind of close by (maybe only half a light year away) and gives an extra kick.

Galactic kicks are pretty wimpy. The planets orbiting the Sun don’t even feel these kicks. Only comets on very wide orbits do. Why does the size of the orbit matter? Because to change an orbit requires torque, a measure of twisting force. To unscrew something you need torque. When you get stuck trying to unscrew a nut, what do you do? You get a longer wrench. The longer the wrench, the stronger the torque.

It’s the same for comets orbiting the Sun. The size of the orbit is like the size of the wrench. The Galaxy only kicks very weakly, so it only torques very wide orbits.

The orbits of Oort cloud comets around the Sun are shaped by kicks from the Galaxy. It is these kicks that transform their orbits into a cloud rather than a thick pancake. As you can see in this image, the division between pancake orbits (the Kuiper belt) and cloud orbits (the Oort cloud) happens at about 1000 Astronomical Units away from the Sun.

The Solar System’s populations of comets. The Kuiper belt is located just outside the planets’ orbits and is mainly pancake-shaped. The Oort cloud starts at about 1000 AU (Astronomical Units) and is spherical, like a cloud, because of Galactic torques. Credit: laurinemoreau.com

When the Galaxy torques an orbit, the orbit’s shape changes. The average size of the orbit does not change, but the shape does. The inclination of the orbit can change — this is why the Oort cloud is a cloud and not a pancake. More importantly for us, the the eccentricity of the orbit changes. Eccentricity is a measure of how stretched-out an orbit is.

Orbits with the same average distance (also called semimajor axis) but different eccentricities e. The higher the eccentricity, the more stretched out the orbit. Credit: NASA Earth Observatory.

Galactic torques transform circular orbits into stretched-out orbits, and stretched-out orbits back to circular ones. When an orbit becomes stretched-out, its closest approach to the star shrinks. This is the dagger the Galaxy will use to slay our beautiful planetary system.

So let’s take another look at our 16-star system but to make things simpler let’s take the point of view of one 8-star clumps and put it in the center. Here is what that looks like.

There are a bunch of orbits in the system. 8 tiny orbits of just 1 Astronomical Unit in size, 4 orbits of 10 Astronomical Units, 2 of 100 Astronomical Units, and finally one huge orbit that is 1000 Astronomical Units in size.

Galactic torques only affect the biggest orbit. But the torques are so small that they act slowly. It takes about a billion years for the orbit to change shape, to be transformed from a pristine circle into a deranged ellipse.

From its birth, our beloved system was living on borrowed time. A Galactic time bomb was hanging above its head and a billion-year fuse was already lit.

Yet this left a full billion years for our beloved system to flourish. A billion years for life to take hold, to envelop first one world then many. For intelligence to emerge and spread. Animals and plants have only existed on Earth for the past 500 million years of our planet’s 4.5 billion year history. Life’s baby steps were a little bit quicker on some of the planets in our system so a billion years was plenty for intelligent life to emerge and thrive. Kingdoms rose and fell. The abundance of nearby planets and moons was a carrot dangling in the sky. Technological civilizations reached for the stars, so much closer in their sky than in ours. And they made it, they reached the other planets and discovered hundreds of hospitable oases in the sky. They colonized every last life-bearing nook among the 480 habitable worlds in the system. Empires rose, the largest claiming hundreds of planets under a single flag. And empires fell in devastating interplanetary wars.

While these civilizations grew extremely adept with physics (and astrophysics in particular), they could not compete with the Galaxy’s tiny persistent torques. And so, when a billion years were up, our system had shifted into this setup:

From the point of view of one clump of 8 stars, the other clump follows an elliptical path around it. As the orbit gets more and more stretched out, the closest approaches between the clumps get closer and closer.

This was really bad. Our little angel of a system was doomed. While the Galaxy’s dagger had yet to pierce our dear system’s heart, all hope was lost. I hope that you, dear reader, enjoy gruesome scenes because I will lay out the details of the dismemberment of our fair damsel of a planetary system.

As the widest orbit became more and more stretched out, the closest approaches between the two clumps of 8 stars (which only happened every twenty thousand years or so) got closer and closer. The clumps of stars starting giving each other stronger and stronger gravitational kicks every close passage. This started to affect the shapes of the next-largest orbit in the system, the 100 Astronomical Unit-sized orbits of the clumps of 4 stars. Those 100 Astronomical Unit orbits started to get stretched out as well.

This was a trickle-down process. New fashion trends are often started by the uppermost classes of society and then spread down to the upper, middle and finally lower classes. Likewise, the Galaxy only kicked the largest orbits in our beautiful system but its effects spread to smaller and smaller orbits.

Here is a snapshot of our marvelous system in the process of being stretched out:

As the Galactic torques trickled through the system, all of the orbits became more and more stretched out.

This was getting bad for the orbits of the planets around their stars. What would happen when the kicks could no longer trickle down to the orbits of clumps of stars?

Until that point the planets’ orbits had remained blissfully unaffected. Of course, the night sky had changed a little, and the local astronomers may very have been aware of the impending doom, but the planets trucked on along their orbits like soldiers following orders until the end.

As the smallest orbits in the system — the 1 Astronomical Unit orbits of each pair of stars around each other — began the stretch, the planets’ orbits finally started to feel the Galaxy breathing down their back.

Ultimate Solar Systems 1 and 2 have habitable zones that are tightly packed with planets. That is how we designed them. The bad thing is, you can’t kick those systems very hard without breaking them.

On our system’s last morning, she looked like this:

The beginning of the end for our beautiful system. As the orbits of close pairs of stars grew elliptical, the orbits of planets in each star’s habitable zone were perturbed.

Let’s focus for a moment on one star within our system, with a habitable zone full of planets on carefully chosen orbits. There are two ways this system can break: 1) the delicate balance of the planets’ orbits can be lost, but planets (or some remnants) remain in orbit, or 2) the planets can be completely lost from the star. The first is like someone spitting in your beer the second is like someone smashing your beer on the floor.

It started with a nudge. A close passage of the companion star shifted the position of the outermost planet just a off of its trajectory. This was just enough to destabilize the orbital layout of the whole system. The planets’ elegant orbital configuration will be thrown off if a single planet’s orbit gets stretched out, because that orbit crosses the orbits of other planets. The ever-approaching companion star set a chain reaction in motion by disturbing the orbits of the outermost planet. Then the entire system went boom.

The stable setup has planets orbiting the star in concentric circles. If just one of those orbits becomes stretched-out, that planet crosses the orbits of the other planets in the system. This quickly disrupts the entire system, generating close passages between planets and giant collisions. In this image it is one of the middle planets’ orbits that becomes stretched out, although in our system it is likely to have been the outermost orbit that was stretched-out first.

When the orbits of two planets cross, it means that the two planets can be in the same place at the same time. You are probably thinking of a giant collision between planets. Something like this:

Artist’s impression of a giant impact between two large rocky planets. This impact represents the last large impact on Earth, which formed the Moon. Credit: Hagai Perets

There were truckloads of mammoth collisions during the death of our beautiful system. Full-grown, life-bearing planets — Earths, Naboos, Dagobahs, and Pandoras — crashed into each other and were pulverized. The plants and animals and civilizations on those planets were entirely obliterated, smashed into smithereens. Remember in Star Wars when Obi-Wan sensed a disturbance in the Force because the planet Alderaan was blown up? Multiply that by a few hundred!

But collisions were not the only face of our system’s death. Half of our stars hosted Ultimate Solar System 2, where most of the habitable worlds were moons of gas giant planets. When a system with gas giants goes unstable the outcome is different than for rocky planets. Gas giants are so massive, and their gravity is so strong, that they scatter instead of colliding.

When giant planets scatter, one planet usually receives such a strong kick that it is launched out of the system. Surviving gas giants have stretched-out orbits. Here is a computer simulation of this process (by Eric Ford):

When giant planets scatter, smaller worlds are caught in the crossfire (see here for some animations on my research website).

Around the stars with unstable gas giants, small worlds were launched in every direction. Most small worlds were doomed. Some fell onto their stars and ended their lives in fiery blaze:

Artist’s image of a planet falling onto its star. As the planet spirals inward, a disk of evaporated material is kept in orbit. Credit: NASA/ESA/G. Bacon.

Other small worlds were thrown so high that they never came down. They were launched into interstellar space, destined to live out their days as Galactic nomads. Questi free-floating o rogue planets had to endure the near-absolute zero temperature of empty space, far away from the campfire provided by a star. Most rogue planets freeze over into iceballs. But those with thick-enough atmospheres to use for blankets might be able to tough it out and remain habitable on their frigid journey among the stars.

Whether frozen-over or blanketed, rogue planets are so faint that they emit no visible light (and barely any radiation at all):

What a “rogue” or “free-floating” rocky planet would look like. The planet is so cold that it emits no visible light. However, it is possible for rogue planets to host life (see here).

The end-result of scattering is a system with one or two surviving gas giants on stretched-out orbits. On occasion, a surviving giant planet can hold on to one of its moons (but not all five, and the survivor may well have undergone a giant collision).

As darkness fell on our beloved system, 3 of the 8 stars with gas giants retained habitable moons. Two moons had been crushed by giant impacts other large moons. But the third surviving moon was pristine. Its orbit around the giant planet was changed, as were the orbits of the giant planet around the star, and of the star within the 16-star system. Yet life, and hope, persisted on this one single moon.

Back to the big picture. As the Galaxy kept torquing, the orbits in our 16-star system grew more and more stretched-out. Eventually, stars came so close to each other that stars themselves dislodged some (but not all) of the remaining planets and launched them out into space.

Stars kicked each other hard enough to break the bonds that tied them. The first to break was the widest orbit, and our 16-star system was split in two. This turned off the Galactic torques and protected the 8-star systems. But too much damage was already done to one of the 8-star systems, and it broke into one 4-star system and two binaries (2-star systems). The four different systems went their separate ways in the Galaxy, never to meet again.

Our beautiful, precious system died. It was born with 16 stars and 480 life-bearing worlds. Each habitable zone was packed with habitable planets. It was as astrophysical paradise. Life flourished and spread over its all-too-short, billion year life.

But the Galaxy couldn’t help itself. It torqued the largest (1000 Astronomical Unit-wide) orbits and those kicks trickled down all the way to the planets’ orbits. Hundreds of rocky planets crashed into each other. Systems with gas giant planets were scattered, launching worlds in all directions, some into interstellar space and others crashing onto their stars. The system itself was torn apart and split into four systems with 8, 4, 2 and 2 stars each.

Some planets survived in orbit around the stars, but most were in bad shape. Almost all had been sterilized by giant impacts with other planets. Only two had avoided large collisions, and their new orbits were stretched-out and only crossed the habitable zone instead of residing there permanently. Still, planets on stretched-out orbits are good candidates for life, even if their orbits bounce around.

A single life-bearing moon remained in orbit around a gas giant. The moon’s orbit around the gas giant was stretched-out, but since the gas giant’s orbit around the star (which was also stretched-out) remained in the habitable zone, this world was another ray of hope.

A hundred worlds were launched into interstellar space. Most of these rogue planets froze over into permanent iceballs in the frigid emptiness between the stars. But a handful — the ones with thick atmospheres — held on to their heat and maintained livable conditions on their surfaces or in subsurface oceans. The daughters of our lost system spread throughout the Galaxy.

This marks the end of the most tragic story in the history of the Universe. Have you ever read a story in which more than 400 life-covered worlds were roasted, pulverized or completely frozen? Imagine the diversity of plants and animals that was lost, the sheer number and diversity of living organisms. I know stories where one or two planets are destroyed, but to be knowledge, there is more death and destruction in this story than any other in history, anywhere. (Let me know in the comments if you know of a more tragic tale).

It’s really sad when a good planetary system goes bad. Boom!

Final note. The Galactic torque idea in this story is due in large part to Nate Kaib, astrophysicist extraordinaire. (See here for a summary of our 2013 study).


A few footnotes:

  1. I’m aware that there is one small passage in Maria Valtorta’s writings that seem to speak of aliens. It’s not the only error in her writings. (I’m making no claims regarding Valtorta’s authenticity here even authentic mystics’ private revelations can, and often do, contain errors! I do not know much about Valtorta, so I cannot comment on her, but I do know that many people I love and trust regard her highly, so please don’t take my insistence that she is wrong on one small thing as an attack on her or her mystical writings. Even St. Catherine of Siena’s private revelations had at least one glaring error! [i.e. that Our Lady was not immaculately conceived])
  2. I’m also aware of the many claims of UFO/Alien phenomena. Although the vast majority of these can be explained by military testing/ atmospheric phenomena/ optical illusions/manipulated media/ weather balloons/ mentally unstable people “seeing” things/etc., it is also true that some testimonies are not so easily cast aside. I am not one to ignore what a person — who by all accounts appears trustworthy — insists that he himself directly observed. Indeed, we must take such testimonies seriously. However, when one reads these testimonies, they almost universally include elements of incredible darkness and evil. The people themselves who give the testimonies usually speak of some horrible, dark, evil feeling pervading them when they witnessed the “UFO” or the “alien.” Often heinous sexual things are described. All of this just confirms my thesis: yes, there may well be alleged “aliens,” but, again, they aren’t aliens at all rather, they are demonic manifestations. This just redoubles the importance of rejecting the possibility of actual aliens, so that we may remain firm in our insistence to have nothing to do with these “aliens” when they appear.
  3. Consider as well that any alien race would either be 1) Unfallen, or 2) Fallen, thus in need of Redemption. If they were 1) Unfallen, then they would each be Immaculate Conceptions, which would itself be contrary to Catholic Dogma on Our Lady being the only Immaculate Conception. If they were 2) In need of Redemption, then this would be abhorrent, since they could not receive it — it is Catholic Dogma that there is one and only one Incarnation (which itself is necessary for Redemption).
  4. The typical Catholic response to this question these days, i.e. “Well, there’s no Church teaching on this, so who knows,” may not, after all, be accurate. Pope Zachary may indeed have condemned this notion . Here is an excerpt from Ireland and the Antipodes: The Heterodoxy of Virgil of Salzburg, by John Carey.

Now, the cleric in question, “Virgil,” did later become a Bishop (and was canonized a saint!), so we can presume he recanted this view — plenty of saints have believed errors and then recanted. Nevertheless, Pope Zachary evidently regarded this error of positing the existence of “other men” in “another world” beneath the earth (or perhaps even on the sun and moon) as such an egregious opposition to God that it was “abominable,” a detriment to one’s very soul, and a just cause for expelling this priest from the Church and stripping him of his priesthood. Perhaps Pope Zachary was particularly condemning the ancient Irish pagan belief in elves who existed in “fairy mounds” underground in any event, this condemnation clearly covers aliens as well. So, dear Catholics, weigh what we have here: on the one hand, an extremely strong denunciation, in a Papal letter, of aliens as an “abominable teaching,” and, on the other hand, Pope Francis making a verbal remark that he’d “baptize Martians.” Discerning which is the weightier teaching is not difficult. Obviously I am not claiming we can have certainty in Pope Zachary’s condemnation merely from John Carey’s work here quoted, but we should presume its validity absent legitimate reasons to doubt it.


7 Answers 7

Okay, so what do you need to have interesting life?

It should be capable of movement. This is handy, because it makes it active. Not entirely necessary, depending on the kind of story you're making (an interstellar fungus that infects a space ship might be enough). There's a few options for that:

Solar sails - this would imply extremely light and sparse being, built around a wide area. By deforming the sail, it could control its movement. The cool thing about this is that it potentially allows the being to travel pretty much anywhere - in a nebula, a planetary ring system, whatever. It doesn't need a solid surface at all.

If there is some solid surface, for example with the planetary ring systems, there's a lot more options. It could simply jump between the rocks (probably with some kind of safety tether). In fact, jumping in free-fall environment with the help of a line would allow both speed and control.

And of course, there's the option of just living on one small body. However, that wouldn't really allow anything big, and it's easy to imagine a deadly catastrophe happening very often.

Source of energy is trickier than it might seem. Of course, there's solar power - a good bet, if you can make a collector of some sort. However, your beings will most likely have extremely low body temperatures (I'll discuss this further later), which limits the usefulness of traditional terrestrial fuels like sugars - the reaction rates might simply be too low to allow much to happen. This can be limited somewhat if it can collect enough solar thermal power to keep itself significantly warm, but that of course comes at a cost as well - more damage to be repaired. The huge problem with solar power is the square-cube law - it's hard to imagine how such an organism could evolve in outer space, if it has no way of regulating its own temperature. Perhaps the nebula it evolved in had enough rocky matter for it to find shelter from the deadly radiation (and heat)?

Now, in the nebula scenario, you probably need to traverse a lot of volume to get a meaningful amount of food, both for energy and as a construction material. This implies low metabolism (and low body temperature), because you need to be able to replace failing parts faster than they break. The ring scenario doesn't have as much problem with that, but there's another problem - it seems that the ring particles tend to be pretty homogenous, so there's little chance there would ever appear one that has enough material of all the different kinds necessary to build any autonomous working machine.

  • An animal-plant, built around a large solar sail, harvesting construction materials like a sperm whale, while getting energy from a sun.
  • A jumper, flying from rock to rock in search of food, with a long "tail" (or maybe multiple tentacles) used to tether itself to the passing rocks (and its prey).

The two could even co-exist, the jumper preying on the sail (or vice versa, if the jumpers are really small). Of course, the sail sounds somewhat more likely to evolve in such an evironment.

The cool thing about the sail is that it could mostly be two-dimensional, so it would have a lot of control over its heating etc. If it's a cold animal, it would be able to keep itself from overheating (the unlit part would serve as a radiator, while the lit part absorbs heat). In fact, it might be a rather good thermal balance mechanism, whether you're relatively cold or warm.

The cold one has another benefit - it could get away with being almost invisible, which would help against predators (if any), and it would allow your heroes to run into them without noticing (the big facepalm moment for the science crew) - the comparatively hot hull of the spaceship might destroy it quite easily.



Commenti:

  1. Shaktizragore

    Anch'io sono eccitato con questa domanda.

  2. Jamal

    A te una scienza.

  3. Cerin

    C'è un sito sull'argomento che ti interessa.

  4. Obediah

    Detta, dove posso leggere questo?

  5. Atu

    Hai assolutamente ragione. In questo qualcosa è di buon pensiero, manteniamo.

  6. Dijar

    Lo accetto con piacere. La domanda è interessante, prenderò anche parte alla discussione. Insieme possiamo arrivare alla risposta giusta. Sono sicuro.

  7. Stoke

    È vero! Ottima idea, sono d'accordo con te.

  8. Gozil

    Bravo, penso che questo sia il pensiero ammirevole



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