Geofizyczna definicja planety

Międzynarodowa Unia Nauk Geologicznych (IUGS) to uznany na arenie międzynarodowej organ, którego zadaniem jest wspieranie porozumienia w sprawie nomenklatury i klasyfikacji w dyscyplinach nauk o Ziemi. Jednakże nie stworzyli jeszcze formalnej definicji terminu planeta . W rezultacie wśród zawodowych geofizyków, planetologów i innych specjalistów w dziedzinie nauk o Ziemi stosowane są różne definicje geofizyczne. Wielu specjalistów decyduje się na użycie jednej z kilku definicji geofizycznych zamiast definicji przyjętej w głosowaniu przez Międzynarodową Unię Astronomiczną .

Definicje

Niektórzy geologowie trzymają się formalnej definicji planety zaproponowanej przez Międzynarodową Unię Astronomiczną (IAU) w sierpniu 2006 r . Zgodnie z definicją planety IAU , planeta to ciało astronomiczne krążące wokół Słońca , które jest na tyle masywne, że można je zaokrąglić własnej grawitacji i oczyścił otoczenie wokół swojej orbity .

Inna powszechnie akceptowana geofizyczna definicja planety obejmuje tę zaproponowaną przez planetologów Alana Sterna i Harolda Levisona w 2002 roku. Obydwaj zaproponowali następujące zasady w celu ustalenia, czy obiekt w przestrzeni spełnia definicję ciała planetarnego.

Ciało planetarne definiuje się jako dowolne ciało w przestrzeni, które spełnia następujące sprawdzalne kryteria górnej i dolnej granicy swojej masy: Jeżeli jest odizolowane od zewnętrznych zakłóceń (np. dynamicznych i termicznych), ciało musi:

Mieć na tyle niską masę, aby w żadnym momencie (w przeszłości ani obecnie) nie był w stanie wygenerować energii w swoim wnętrzu w wyniku jakiejkolwiek samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej syntezy jądrowej (w przeciwnym razie byłby to brązowy karzeł lub gwiazda ). I również,

Być na tyle duży, aby o jego kształcie decydowała przede wszystkim grawitacja, a nie wytrzymałość mechaniczna lub inne czynniki (np. napięcie powierzchniowe, prędkość obrotu) w czasie krótszym niż czas Hubble’a , tak aby ciało w tej lub krótszej skali czasu osiągnęło stan równowagi hydrostatycznej w jego wnętrze.

Wyjaśnili, że cechą charakterystyczną planetologii jest zbiorowe zachowanie masy ciała, które ma na celu pokonanie wytrzymałości mechanicznej i przejście do elipsoidy równowagi, której kształt jest zdominowany przez własną grawitację, oraz że definicja uwzględnia wczesny okres, w którym grawitacja może jeszcze nie zostać w pełni rozwinięta. okazał się dominującą siłą . Podzielili ciała planetarne na podkategorie:

planety krążące bezpośrednio wokół swoich gwiazd
satelity o skali planetarnej , z których największym jest Luna , satelity galileuszowe , Tytan i Tryton , przy czym ostatni najwyraźniej „był dawniej odrębną planetą”
niezwiązane planety , zbuntowane planety pomiędzy gwiazdami
planety podwójne , w których planeta i masywny satelita krążą wokół punktu pomiędzy dwoma ciałami (jedynym znanym przykładem w Układzie Słonecznym jest Pluton – Charon)

Ponadto istnieją ważne kategorie dynamiczne:

überplanety krążą wokół gwiazd i są wystarczająco dynamiczne, aby oczyścić sąsiednie planetozymale w czasie Hubble'a
planety pozaplanetarne , które nie mogą oczyścić swojego sąsiedztwa, na przykład znajdują się na niestabilnych orbitach lub są w rezonansie z masywniejszym ciałem lub krążą wokół niego. Ustalili granicę na Λ = 1 .

Hermetyzacja powyższej definicji z 2018 roku zdefiniowała wszystkie ciała planetarne jako planety. Został on sformułowany z myślą o szerszej publiczności i miał stanowić alternatywę dla definicji planety przyjętej przez IAU . Zauważono, że planetolodzy uważają inną definicję „planety” za bardziej przydatną w swojej dziedzinie, podobnie jak różne dziedziny odmiennie definiują „metal”. Dla nich planeta to:

ciało o masie podgwiazdowej, które nigdy nie przeszło fuzji jądrowej i ma wystarczającą grawitację, aby być okrągłe ze względu na równowagę hydrostatyczną, niezależnie od parametrów orbity.

Można zauważyć pewne różnice w sposobie, w jaki planetolodzy klasyfikują obiekty graniczne, takie jak asteroidy Pallas i Vesta . Te dwie są prawdopodobnie zachowanymi protoplanetami i są większe niż niektóre wyraźnie elipsoidalne obiekty, ale obecnie nie są zbyt okrągłe (chociaż Westa prawdopodobnie była okrągła w przeszłości). Niektóre definicje je uwzględniają, inne nie.

Inne nazwy planet geofizycznych

W 2009 roku Jean-Luc Margot (który zaproponował matematyczne kryterium oczyszczania okolicy) i Levison zasugerowali, że „okrągłość” powinna odnosić się do ciał, których siły grawitacyjne przekraczają ich siłę materialną, a ciała okrągłe można nazwać „światami”. Zauważyli, że taka klasyfikacja geofizyczna jest rozsądna i niekoniecznie sprzeczna z dynamiczną koncepcją planety: dla nich „planeta” jest definiowana dynamicznie i stanowi podzbiór „świata” (który obejmuje także planety karłowate, okrągłe księżyce i free floaterzy). Wskazali jednak, że taksonomia oparta na okrągłości jest wysoce problematyczna, ponieważ okrągłość jest bardzo rzadko bezpośrednio obserwowalna, jest kontinuum, a przybliżanie jej na podstawie rozmiaru lub masy prowadzi do niespójności, ponieważ wytrzymałość materiału planetarnego zależy od temperatury, składu i proporcji mieszania . Na przykład lodowaty Mimas jest okrągły i ma średnicę 396 km (246 mil), ale skalista Westa nie ma średnicy 525 km (326 mil). (A przy znacznie niższych temperaturach lodowata Salacia w Pasie Kuipera mogła nie zapaść się całkowicie grawitacyjnie nawet przy średnicy 850 km (530 mil).) W związku z tym stwierdzili, że można tolerować pewną niepewność przy klasyfikowaniu obiektu jako świata, podczas gdy jego klasyfikację dynamiczną można po prostu określić na podstawie masy i okresu orbitalnego.

Planety geofizyczne w Układzie Słonecznym

Zgodnie z geofizyczną definicją planety w Układzie Słonecznym jest więcej planet satelitarnych i karłowatych niż planet klasycznych.

Nie da się obiektywnie określić liczby planet geofizycznych w Układzie Słonecznym, gdyż zależy ona od precyzyjnej definicji i szczegółowej wiedzy o szeregu słabo obserwowanych ciał, a zdarzają się przypadki graniczne. W czasie definiowania IAU w 2006 roku sądzono, że granica, przy której lodowe ciała astronomiczne prawdopodobnie znajdą się w równowadze hydrostatycznej, wynosi około 400 kilometrów (250 mil), co sugeruje, że w galaktyce znajduje się duża liczba planet karłowatych. pas Kuipera i dysk rozproszony . Jednak do 2010 roku było wiadomo, że lodowe księżyce o średnicy do 1500 kilometrów (930 mil) (np. Iapetus ) nie są w równowadze. Japetus jest okrągły, ale jest zbyt spłaszczony jak na swój obecny obrót: ma kształt równowagi przez okres rotacji wynoszący 16 godzin, a nie rzeczywisty obrót trwający 79 dni. Może to być spowodowane tym, że kształt Japetusa został zamrożony przez utworzenie grubej skorupy wkrótce po jego utworzeniu, podczas gdy jego obrót nadal zwalniał z powodu rozpraszania pływów , aż został zablokowany pływowo . Większość definicji geofizycznych i tak wymienia takie ciała. (W rzeczywistości ma to już miejsce w przypadku definicji IAU; obecnie wiadomo, że Merkury nie znajduje się w równowadze hydrostatycznej, ale mimo to powszechnie uważa się go za planetę.)

W 2019 r. Grundy i in. argumentował, że obiekty transneptunowe o średnicy do 900 do 1000 kilometrów (560 do 620 mil) (np. (55637) 2002 UX 25 i Gǃkúnǁʼhòmdímà ) nigdy nie skompresowały swojej wewnętrznej porowatości, a zatem nie są ciałami planetarnymi. Tak wysoki próg sugeruje, że co najwyżej dziewięć znanych obiektów transneptunowych mogłoby być planetami geofizycznymi: Pluton, Eris , Haumea , Makemake , Gonggong , Charon , Quaoar , Sedna i prawdopodobnie Orcus przekroczyć próg 900 km (560 mil). Salacia (o średnicy około 850 km (530 mil)) i Varda (o średnicy około 740 km (460 mil)) mogą stanowić przypadki graniczne: są ciemne, ale ich gęstość może, ale nie musi, być wystarczająco duża, aby być planetami geofizycznymi. Zgodnie z tym Grundy i in. scharakteryzowali Salacię jako jedynie „wielkości planety karłowatej”, jednocześnie nazywając Orcusa „planetą karłowatą”.

Do ciał powszechnie uznawanych za planety geofizyczne zalicza się osiem głównych planet:

☿ Rtęć
♀ Wenus
🜨Ziemia _
♂ Mars
♃ Jowisz
♄ Saturna
⛢ Uran
♆ Neptun

dziewięć obiektów, co do których naukowcy ogólnie zgadzają się, to planety karłowate:

i dwadzieścia księżyców o masach planetarnych :

Księżyc satelita Ziemi –
Cztery satelity Jowisza – Io , Europa , Ganimedes i Kallisto
Siedem satelitów Saturna – Mimas , Enceladus , Tetyda , Dione , Rhea , Tytan i Japetus
Pięć satelitów Urana – Miranda , Ariel , Umbriel , Tytania i Oberon
Jeden satelita Neptuna – Tryton
Jeden satelita Plutona – Charon
Jeden satelita Eris – Dysnomia

Czasami na granicach znajdują się inne obiekty, takie jak asteroidy Pallas, Westa i Hygiea (większe niż Mimas, ale Pallas i Westa wyraźnie nie są okrągłe); Drugi co do wielkości księżyc Neptuna, Proteus (większy od Mimasa, ale nadal nie okrągły); lub niektóre inne obiekty transneptunowe, takie jak Salacia, które mogą, ale nie muszą, być planetami karłowatymi.

Analiza zdjęć ze statków kosmicznych sugeruje, że próg, przy którym obiekt jest wystarczająco duży, aby mógł zostać okrążony przez grawitację własną (czy to z powodu sił czysto grawitacyjnych, jak w przypadku Plutona i Tytana, czy też zwiększonych przez ogrzewanie pływowe, jak w przypadku Io i Europy ) wynosi w przybliżeniu próg aktywności geologicznej. Istnieją jednak wyjątki, takie jak Callisto i Mimas , które mają kształty równowagi (historyczne w przypadku Mimasa), ale nie wykazują żadnych oznak przeszłej ani obecnej endogenicznej aktywności geologicznej, oraz Enceladus , który jest geologicznie aktywny ze względu na ogrzewanie pływowe, ale najwyraźniej nie znajduje się obecnie w równowadze.

Porównanie z definicją planety IAU

Niektóre definicje geofizyczne są takie same jak definicja IAU, podczas gdy inne definicje geofizyczne są mniej więcej równoważne drugiemu akapitowi definicji planety IAU.

Definicja Sterna z 2018 r., ale nie jego definicja z 2002 r., wyklucza pierwszą klauzulę definicji IAU (że planeta znajduje się na orbicie wokół gwiazdy) i trzecią klauzulę (że planeta oczyściła otoczenie wokół swojej orbity ) . Dlatego uważa planety karłowate i księżyce o masach planetarnych za planety.

Obecnie IAU uznaje pięć ciał za planety karłowate lub nazywa je takimi: Ceres , Pluton (planeta karłowata o największym znanym promieniu), Eris (planeta karłowata o największej znanej masie), Haumea i Makemake , chociaż trzy ostatnie w rzeczywistości nie wykazano, że są to planety karłowate. Astronomowie zwykle uwzględniają te pięć, a także cztery kolejne: Quaoar , Sedna , Orcus i Gonggong .

Reakcja na definicję IAU

Wielu krytyków decyzji IAU skupiało się szczególnie na utrzymaniu Plutona jako planety i nie było zainteresowanych debatą ani dyskusją o tym, jak termin „planeta” powinien być definiowany w naukach o Ziemi. Wczesna petycja odrzucająca definicję IAU zebrała ponad 300 podpisów, chociaż nie wszyscy krytycy poparli alternatywną definicję.

Inni krytycy nie zgadzali się z samą definicją i chcieli stworzyć alternatywne definicje, które można by stosować w różnych dyscyplinach.

Geofizyczna definicja planety zaproponowana przez Sterna i Levinsona jest alternatywą dla definicji IAU określającej, co jest, a co nie jest planetą , i ma służyć jako definicja geofizyczna, podczas gdy definicja IAU – ich zdaniem – jest przeznaczona bardziej dla astronomów. Niemniej jednak niektórzy geolodzy opowiadają się za definicją IAU. Zwolennicy geofizycznej definicji Sterna i Levinsona wykazali, że takie koncepcje tego, czym jest planeta, były stosowane przez planetologów od dziesięcioleci i były kontynuowane po ustaleniu definicji IAU oraz że asteroidy rutynowo uważano za „mniejsze” planety, chociaż w użyciu znacznie się różni.

Zastosowanie do egzoplanet

Do zdefiniowania egzoplanet wykorzystano definicje geofizyczne. Definicja IAU z 2006 roku celowo nie odnosi się do komplikacji związanych z egzoplanetami, chociaż w 2003 roku IAU oświadczyła, że „minimalna masa wymagana, aby obiekt pozasłoneczny mógł zostać uznany za planetę, powinna być taka sama, jak masa stosowana w Układzie Słonecznym”. Chociaż niektóre definicje geofizyczne różniące się od definicji IAU, teoretycznie mają zastosowanie do egzoplanet i planet zbójeckich , nie były one stosowane w praktyce ze względu na nieznajomość właściwości geofizycznych większości egzoplanet. Definicje geofizyczne zazwyczaj wykluczają obiekty, które kiedykolwiek przeszły syntezę jądrową, a zatem mogą wykluczać obiekty o większej masie zawarte w katalogach egzoplanet, a także obiekty o mniejszej masie. Encyklopedia planet pozasłonecznych , Exoplanet Data Explorer i NASA Exoplanet Archive zawierają obiekty znacznie masywniejsze niż teoretyczna masa 13 Jowisza próg, przy którym uważa się, że fuzja deuteru jest uzasadniona, z następujących powodów: niepewność co do tego, jak to ograniczenie będzie miało zastosowanie do ciała ze skalistym jądrem, niepewność co do mas egzoplanet oraz debata na temat tego, czy fuzja deuteru lub mechanizm powstawania jest najwłaściwsze kryterium umożliwiające odróżnienie planety od gwiazdy. Te niepewności odnoszą się w równym stopniu do koncepcji planety IAU.

Zarówno definicja IAU, jak i różniące się od niej definicje geofizyczne uwzględniają kształt obiektu, z uwzględnieniem równowagi hydrostatycznej . Określenie okrągłości ciała wymaga pomiarów w wielu cięciwach (a nawet to nie wystarczy do ustalenia, czy faktycznie znajduje się ono w równowadze), ale techniki wykrywania egzoplanet podają jedynie masę planety, czyli stosunek jej pola przekroju poprzecznego do powierzchni gwiazda macierzysta lub jej względna jasność. Jedna mała egzoplaneta, Kepler-1520b , ma masę mniejszą niż 0,02 masy Ziemi i analogicznie do obiektów w Układzie Słonecznym sugeruje, że może to nie wystarczyć, aby ciało skaliste było planetą. Inny, WD 1145+017 b , ma masę zaledwie 0,0007 masy Ziemi, podczas gdy SDSS J1228+1040 b może mieć rozmiar zaledwie 0,01 promienia Ziemi, czyli znacznie poniżej górnej granicy równowagi dla ciał lodowych w Układzie Słonecznym. (Zobacz listę najmniejszych egzoplanet .)

Zobacz też

Lista zaokrąglonych grawitacyjnie obiektów Układu Słonecznego – lista obiektów ogólnie przyjętych przez astronomów za spełniające definicje planet geofizycznych, z przedstawionymi wieloma właściwościami