Masa planetarna

W astronomii masa planety jest miarą masy obiektu astronomicznego podobnego do planety . W Układzie Słonecznym planety są zwykle mierzone w astronomicznym układzie jednostek , gdzie jednostką masy jest masa Słońca ( M _☉ ), czyli masa Słońca . W badaniach planet pozasłonecznych jednostką miary jest zazwyczaj masa Jowisza ( M _J ) w przypadku dużych gazowych olbrzymów i masę Ziemi ( M _Earth ) w przypadku mniejszych skalistych planet ziemskich .

Masa planety w Układzie Słonecznym jest parametrem dostosowywanym podczas przygotowywania efemeryd . Istnieją trzy odmiany obliczania masy planety:

Jeśli planeta ma naturalne satelity , jej masę można obliczyć, korzystając z prawa powszechnego ciążenia Newtona, aby uzyskać uogólnienie trzeciego prawa Keplera , które obejmuje masę planety i jej księżyca. Umożliwiło to wczesny pomiar masy Jowisza, mierzonej w jednostkach masy Słońca .
Masę planety można wywnioskować z jej wpływu na orbity innych planet. W latach 1931-1948 błędne zastosowania tej metody doprowadziły do błędnych obliczeń masy Plutona .
Można wykorzystać dane pochodzące z wpływów zebrane z orbit sond kosmicznych . Przykładami są sondy Voyager wysyłające do planet zewnętrznych i statek kosmiczny MESSENGER wysyłający do Merkurego .
Ponadto wiele innych metod może dać rozsądne przybliżenia. Na przykład Waruna , potencjalna planeta karłowata , obraca się bardzo szybko wokół własnej osi, podobnie jak planeta karłowata Haumea . Haumea musi mieć bardzo dużą gęstość, aby nie została rozerwana przez siły odśrodkowe . Za pomocą niektórych obliczeń można wyznaczyć granicę gęstości obiektu. Zatem, jeśli znany jest rozmiar obiektu, można określić granicę masy. Aby uzyskać więcej informacji na ten temat, zobacz linki w powyższych artykułach.

Wybór jednostek

Wybór masy Słońca M _☉ jako podstawowej jednostki masy planety wynika bezpośrednio z obliczeń stosowanych do określenia masy planety . W najbardziej precyzyjnym przypadku, czyli samej Ziemi , masę podaje się w masie Słońca z dokładnością do dwunastu cyfr znaczących : ta sama masa w kilogramach lub innych jednostkach ziemskich jest znana tylko z pięcioma cyframi znaczącymi, co jest mniej niż jedna milionowa tak dokładne.

Różnica wynika ze sposobu obliczania mas planet. Niemożliwe jest „zważenie” planety, a tym bardziej Słońca, w oparciu o wzorce masy stosowane w laboratorium. Z drugiej strony orbity planet dostarczają szerokiego zakresu danych obserwacyjnych dotyczących względnych pozycji każdego ciała, a pozycje te można porównać z ich względnymi masami, korzystając z prawa powszechnego ciążenia Newtona (z niewielkimi poprawkami do ogólnej teorii względności , gdzie niezbędny). Aby przeliczyć te masy względne na jednostki ziemskie, takie jak kilogram, konieczna jest znajomość wartości Newtonowska stała grawitacji , G. Stała ta jest niezwykle trudna do zmierzenia w praktyce, a jej wartość znana jest jedynie z dokładnością do jednej części na dziesięć tysięcy.

Masa Słońca to dość duża jednostka w skali Układu Słonecznego: 1,9884(2) × 10 ³⁰ kg. Największa planeta, Jowisz , ma 0,09% masy Słońca, podczas gdy Ziemia ma około trzech milionowych (0,0003%) masy Słońca. Aby przezwyciężyć ten problem, w literaturze stosuje się różne konwencje: na przykład odwrócenie proporcji w taki sposób, że masę planety podaje się jako „liczbę planet”, potrzebną do zbudowania jednego Słońca. W tym miejscu zdecydowaliśmy się podać masy wszystkich planet w „mikroSłońcach” – to znaczy masa Ziemi to nieco ponad trzy „mikroSłońca”, czyli trzy milionowe masy Słońca – chyba że są one wyraźnie podane w kilogramach.

Porównując planety między sobą, często wygodnie jest zastosować masę Ziemi ( ME lub M _Earth ) jako standard, szczególnie w przypadku _planet ziemskich . _W przypadku mas gazowych olbrzymów , a także większości planet pozasłonecznych i brązowych karłów , wygodnym porównaniem jest masa Jowisza ( MJ ).

Masy planet w stosunku do masy Ziemi `M` _Ziemi i Jowisza `M` _J
Planeta	Rtęć	Wenus	Ziemia	Mars	Jowisz	Saturn	Uran	Neptun
Masa Ziemi `M` _Ziemia	0,0553	0,815	1	0,1075	317,8	95,2	14.6	17.2
Masa Jowisza `M` _J	0,000 17	0,002 56	0,003 15	0,000 34	1	0,299	0,046	0,054

Masa planet i powstawanie planet

Westa jest drugim co do wielkości obiektem w pasie asteroid, po Ceres . Powyższe zdjęcie wykonane przez Dawn pokazuje, że nie jest ona idealnie kulista.

Masa planety ma konsekwencje dla jej struktury, ponieważ ma dużą masę, zwłaszcza gdy jest ona poddawana procesowi formowania . Ciało o wystarczającej masie może pokonać swoją wytrzymałość na ściskanie i uzyskać zaokrąglony kształt (w przybliżeniu równowaga hydrostatyczna ). Od 2006 roku obiekty te klasyfikowane są jako planety karłowate , jeśli krążą wokół Słońca (czyli jeśli nie są satelitą innej planety). Próg zależy od wielu czynników, takich jak skład, temperatura i obecność ogrzewania pływowego. Najmniejszym ciałem, o którym wiadomo, że jest zaokrąglone, jest księżyc Saturna Mimas o masie około 1 ⁄ 160 000 masy Ziemi; z drugiej strony ciała tak duże jak Salacia z Pasa 1/13 000 Kuipera , o masie około masy Ziemi, mogły nie pokonać swojej wytrzymałości na ściskanie. Mniejsze ciała, takie jak asteroidy, są klasyfikowane jako „ małe ciała Układu Słonecznego ”.

Planeta karłowata z definicji nie jest wystarczająco masywna, aby grawitacyjnie oczyściła sąsiadujący obszar z planetozymali . Potrzebna do tego masa zależy od lokalizacji: Mars oczyszcza swoją orbitę w swoim obecnym miejscu, ale nie zrobiłby tego, gdyby krążył w Obłoku Oorta .

Mniejsze planety zawierają wyłącznie krzemiany i metale i są planetami ziemskimi , takimi jak Ziemia czy Mars . Struktura wewnętrzna planet skalistych zależy od masy: na przykład tektonika płyt może wymagać minimalnej masy, aby wytworzyć wystarczające temperatury i ciśnienia, aby mogło to nastąpić. Definicje geofizyczne obejmowałyby także planety karłowate i księżyce w zewnętrznym Układzie Słonecznym, które są podobne do planet ziemskich, z tą różnicą, że składają się z lodu i skał, a nie skał i metalu: największe takie ciała to Ganimedes , Tytan , Kalisto , Tryton i Pluton .

Jeśli protoplaneta urośnie w wyniku akrecji do masy ponad dwukrotnie większej od masy Ziemi, jej grawitacja stanie się wystarczająco duża, aby zatrzymać wodór w atmosferze . W tym wypadku wyrośnie z niego lodowy olbrzym lub gazowy olbrzym . W związku z tym Ziemia i Wenus są bliskie maksymalnym rozmiarom, do jakich planeta może zwykle urosnąć, pozostając jednocześnie skalistymi. Jeśli planeta rozpocznie następnie migrację , może przemieścić się w obrębie linii zamarznięcia swojego układu i stać się gorącym Jowiszem krążąca bardzo blisko swojej gwiazdy, a następnie stopniowo tracąca niewielką ilość masy, gdy promieniowanie gwiazdy pozbawia jej atmosferę.

, że teoretyczna minimalna masa, jaką może mieć gwiazda i mimo to ulegać fuzji wodoru w jądrze, wynosi około 75 M _J , chociaż fuzja deuteru może nastąpić przy masach tak niskich jak 13 Jowiszy.

Wartości z efemeryd DE405

Efemerydy DE405/LE405 z Laboratorium Napędów Odrzutowych to szeroko stosowane efemerydy pochodzące z 1998 roku i obejmujące cały Układ Słoneczny. W związku z tym masy planet tworzą spójny zbiór, co nie zawsze ma miejsce w przypadku nowszych danych (patrz poniżej).

Planety i naturalne satelity		Masa planety (w stosunku do Słońca × ^10-6 )	Masa satelity (w stosunku do planety macierzystej)	Absolutna masa	Średnia gęstość
Rtęć		0. 166 01		3,301 × 10 ²³ kg	5,43 g/cm ³
Wenus		2. 447 8383		4,867 × 10 ²⁴ kg	5,24 g/cm ³
Układ Ziemia / Księżyc		3. 040 432 633 33		6,046 × 10 ²⁴ kg	4,4309 g/cm ³
	Ziemia	3. 003 489 596 32		5,972 × 10 ²⁴ kg	5,514 g/cm ³
	Księżyc		1. 230 003 83 × 10-2 ^_	7,348 × 10 ²² kg	3,344 g/cm ³
Mars		0,3227151		6,417 × 10 ²³ kg	3,91 g/cm ³
Jowisz		954,79194		1,899 × 10 ²⁷ kg	1,24 g/cm ³
	Io		4,70 × 10-5 ^_	8,93 × 10 ²² kg
	Europy		2,53 × 10-5 ^_	4,80 × 10 ²² kg
	Ganimedes		7,80 × 10-5 ^_	1,48 × 10 ²³ kg
	Kalisto		5,67 × 10-5 ^_	1,08 × 10 ²³ kg
Saturn		285,8860		5,685 × 10 ²⁶ kg	0,62 g/cm ³
	tytan		2,37 × 10-4 ^_	1,35 × 10 ²³ kg
Uran		43,66244		8,682 × 10 ²⁵ kg	1,24 g/cm ³
	Tytania		4,06 × 10-5 ^_	3,52 × 10 ²¹ kg
	Oberona		3,47 × 10-5 ^_	3,01 × 10 ²¹ kg
Neptun		51,51389		1,024 × 10 ²⁶ kg	1,61 g/cm ³
	Tryton		2,09 × 10-4 ^_	2,14 × 10 ²² kg
Planety karłowate i asteroidy
Układ Pluton / Charon		0,007396		1,471 × 10 ²² kg	2,06 g/cm ³
Ceres		0,00047		9,3 × 10 ²⁰ kg
Westa		0,00013		2,6 × 10 ²⁰ kg
Pallas		0,00010		2,0 × 10 ²⁰ kg

Masa Ziemi i masa Księżyca

Jeżeli planeta posiada naturalne satelity, jej masę podaje się zazwyczaj w odniesieniu do całego układu (planeta + satelity), gdyż jest to masa całego układu, która działa jak zaburzenie na orbitach innych planet. Różnica jest bardzo niewielka, ponieważ naturalne satelity są znacznie mniejsze niż ich planety macierzyste (co widać w powyższej tabeli, gdzie wymieniono nawet tylko największe satelity).

Ziemia i Księżyc są tego dobrym przykładem, częściowo dlatego, że Księżyc jest niezwykle duży (nieco ponad 1% masy Ziemi) w stosunku do swojej planety macierzystej w porównaniu z innymi naturalnymi satelitami. Dostępne są również bardzo dokładne dane dotyczące układu Ziemia-Księżyc, w szczególności z Lunar Laser Ranging Experiment (LLR).

Geocentryczną stałą grawitacyjną – iloczyn masy Ziemi razy stałą Newtona grawitacji – można zmierzyć z dużą precyzją na podstawie orbit Księżyca i sztucznych satelitów. Stosunek obu mas można wyznaczyć na podstawie niewielkich wahań orbity Ziemi spowodowanych przyciąganiem grawitacyjnym Księżyca.

Nowsze wartości

Zbudowanie pełnej, bardzo precyzyjnej efemerydy Układu Słonecznego jest zadaniem uciążliwym. Możliwe jest (i nieco prostsze) skonstruowanie częściowych efemeryd, które dotyczą tylko planet (lub planet karłowatych, satelitów, asteroid) będących przedmiotem zainteresowania poprzez „utrwalenie” ruchu pozostałych planet w modelu. Obie metody nie są w pełni równoważne, zwłaszcza jeśli chodzi o przypisywanie niepewności wynikom: jednak „najlepsze” szacunki – przynajmniej jeśli chodzi o przytoczoną niepewność wyniku – dla mas mniejszych planet i asteroid zwykle pochodzą z częściowych efemerydy.

Niemniej jednak w dalszym ciągu trwają prace nad nowymi, kompletnymi efemerydami, w szczególności efemerydami EPM2004 z Instytutu Astronomii Stosowanej Rosyjskiej Akademii Nauk . EPM2004 opiera się na 317 014 oddzielnych obserwacjach z lat 1913–2003, czyli ponad siedem razy więcej niż DE405, i podał dokładniejsze masy Ceres i pięciu asteroid.

Masa planety (w stosunku do Słońca × ^10-6 )
	EPM2004	Vitagliano i Stwosz (2006)	Brown i Schaller (2007)	Tholen i in. (2008)	Pitjeva i Standish (2009)	Ragozzine i Brown (2009)
136199 Eris			84,0(1,0 ⁾ × 10-4
134340 Pluton				73,224(15 ⁾ × 10-4
136108 Haumea						20,1(2 ⁾ × 10-4
1 Ceres	4,753(7 ⁾ × 10-4				4,72(3 ⁾ × 10-4
4 Westa	1,344(1 ⁾ × 10-4				1,35(3 ⁾ × 10-4
2 Palle	1,027(3 ⁾ × 10-4				1,03(3 ⁾ × 10-4
15 Eunomia		0,164(6 ⁾ × 10-4
3 Junona	0,151(3 ⁾ × 10-4
7 Irys	0,063(1 ⁾ × 10-4
324 Bambergi	0,055(1 ⁾ × 10-4

Najlepsze szacunki IAU (2009)

Nowy zestaw „aktualnych najlepszych szacunków” dla różnych stałych astronomicznych został zatwierdzony na 27. Zgromadzeniu Ogólnym Międzynarodowej Unii Astronomicznej (IAU) w sierpniu 2009 roku.

Planeta	Stosunek masy Słońca do masy planet (w tym satelitów)	Masa planety (w stosunku do Słońca × ^10-6 )	Masa (kg)
Rtęć	6023,6(3) × 10 ³	0. 166 014 (8)	3,3010(3) × 10 ²³
Wenus	408. 523 719 (8) × 10 ³	2. 081 062 72 (3)	4,1380(4) × 10 ²⁴
Mars	3098. 703 59 (2) × 10 ³	0. 323 237 1722 (21)	6,4273(6) × 10 ²³
Jowisz	1. 047 3486 (17) × 10 ³	954.7919(15)	1,89852(19) × 10 ²⁷
Saturn	3. 497 9018 (1) × 10 ³	285. 885 670 (8)	5,6846(6) × 10 ²⁶
Uran	22. 902 98 (3) × 10 ³	43. 662 44 (6)	8,6819(9) × 10 ²⁵
Neptun	19. 412 26 (3) × 10 ³	51. 513 84 (8)	1,02431(10) × 10 ²⁶

Aktualne najlepsze szacunki IAU (2012)

Zestaw „aktualnych najlepszych szacunków” za 2009 r. został zaktualizowany w 2012 r. uchwałą B2 XXVIII Zgromadzenia Ogólnego IAU. Poprawiono wartości dla Merkurego i Urana (a także dla układu Plutona i Westy).

Planeta	Stosunek masy Słońca do masy planet (w tym satelitów)
Rtęć	6023.657 33 (24) × 10 ³
Uran	22. 902 951 (17) × 10 ³

Zobacz też

Przypisy