Apa nasib jangka panjang raksasa gas?

Jika saya tidak salah, diyakini bahwa alasan untuk cuaca yang bergejolak seperti itu pada 4 planet gas luar adalah bahwa tekanan internal sangat besar sehingga menghasilkan panas, yang menyebabkan konveksi, yang menyebabkan cuaca ekstrem.

Akankah planet-planet ini selamanya menghasilkan panas, atau pada suatu titik akankah mereka membeku?

Akan seperti apa Jupiter dari satu triliun tahun dari sekarang?

gas-giants

— Scottie
sumber

Tolong jangan gunakan kata-kata seperti "triliun" karena mereka membingungkan. Itu tidak menyampaikan arti yang sama di en.wikipedia.org/wiki/Long_and_short_scales Silakan gunakan kata-kata ilmiah yang jelas seperti Gigayears.

— Envite

1 triliun tahun = 1000 Gigayears.

— Rob Jeffries

Jawaban:

Skala waktu di mana Jupiter mendingin dipahami dengan cukup baik dan diprediksi oleh generasi model evolusi saat ini.

Luminositas Jupiter sebagian besar disediakan oleh kontraksi gravitasi. Untuk sebuah planet yang hanya mengandung gas yang diatur oleh hukum gas yang sempurna, skala waktu yang tepat untuk kontraksi ini (atau memang luminositas jatuh secara signifikan) diberikan oleh skala waktu Kelvin Helmholtz. mana dan adalah massa dan jari-jari Jupiter dan adalah output daya saat ini (atau luminositas), dan parameter . Skala waktu ini adalah beberapa tahun.

τ = η \frac{G M^{2}}{R L},

$\tau = \eta \frac{GM^2}{RL},$

M

$M$

R

$R$

L

$L$

η \sim 1

$\eta \sim 1$

10^{11}

$10^{11}$

Namun, planet raksasa seperti Jupiter tidak diatur oleh hukum gas yang sempurna. Gas di pusat Jupiter cukup padat sehingga elektron menjadi merosot. Elektron yang merosot mengisi tingkat energi yang tersedia hingga energi Fermi. Konsekuensinya, momentum non-nol elektronnya memberikan tekanan degenerasi yang tidak tergantung pada suhu . Akibatnya, laju kontraksi melambat dan pelepasan energi potensial gravitasi melambat; planet ini mampu mendingin dan tetap berada dalam keseimbangan hidrostatik tanpa tingkat kontraksi yang sama.

Orang dapat mengekspresikan perubahan ini menggunakan parameter . Untuk Jupiter ( Guillot & Gautier 2014 ) - yaitu skala waktu untuk luminositas memudar adalah 30 kali lebih cepat daripada waktu Kelvin-Helmholtz yang naif dan luminositas Jupiter akan berskala sebagai kebalikan dari usia dan akan jatuh oleh faktor. dari beberapa dalam tahun. Dalam satu triliun tahun, luminositas Jupiter akan lebih rendah daripada yang sekarang kira-kira menjadi faktor 250. $\eta$ $\eta \simeq 0.03$ $10^{10}$

— Rob Jeffries
sumber

Dari apa yang saya tahu, sebagian besar panas dihasilkan ketika gas raksasa dibuat. Beberapa di antaranya berasal dari gesekan yang disebabkan oleh tekanan internal. Namun, panas ini tidak dihasilkan lagi, karena hanya dihasilkan ketika materi jatuh ke planet ini.

Mereka mungkin memang menghasilkan panas dari unsur-unsur radioaktif di inti (meskipun tidak ada yang pernah turun dan memeriksa jika ada: P), dan juga akan menerima 'dorongan' dari pemanasan matahari.

Namun seiring waktu, setiap sumber panas akan berkurang. Panas laten sejak lahir akan dibuang ke ruang angkasa dalam bentuk radiasi, unsur-unsur radioaktif akan membusuk, dan bintang yang mengorbitnya akan mati.

Jadi saya kira Jupiter tidak akan lagi memiliki cuaca dramatis dalam satu triliun tahun.

— Superdavo
sumber

Saya selalu belajar bahwa panas dari Matahari sama sekali tidak cukup kuat untuk menggerakkan cuaca ekstrem pada raksasa gas ini, dan pasti ada sumber panas lain. Teori utama adalah bahwa tekanan ekstrem pada inti menghasilkan panas yang cukup untuk menyebabkan ini. Tetapi jika saya mengerti apa yang Anda katakan, itu tidak lagi menghasilkan panas, melainkan hanya sisa panas dari asal usul planet ini?

— Scottie

Saya tidak berpikir begitu, karena kalau tidak, ia akan dapat menghasilkan panas selamanya, yang akan membuatnya menjadi sumber energi yang tak terbatas. Namun, energi residu dalam raksasa gas cukup ekstrem, dan harus bertahan untuk waktu yang sangat lama. Ini adalah situasi yang mirip dengan bintang katai putih, yang pada akhirnya akan mendingin menjadi katai hitam yang mati.

— Superdavo

Jupiter dapat menghasilkan panas sendiri melalui proses Kelvin-Helmholtz: saat memancarkan panas, ia berkontraksi, sehingga mengubah potensi gravitasi menjadi panas. Kapasitas panas negatif adalah karakteristik sistem yang terikat secara gravitasi. Luminositas intrinsik Jovian ini adalah , jadi skala waktu termal adalah Kami menggunakan nilai sekarang , jadi indikasi masa depan jangka panjang tidak pasti. Tetapi intinya adalah bahwa tidak jelas bahwa seseorang dapat mengabaikan pembangkitan panas internal begitu cepat!

L_{J} = 8.7 \times 10^{- 10}

$L_\text{J} = 8.7\times 10^{-10}$

τ_{KH} \sim \frac{G M^{2}}{R L_{J}} \sim 10^{11} y r .

$\tau_\text{KH}\sim\frac{GM^2}{RL_\text{J}}\sim 10^{11}\,\mathrm{yr}\text{.}$

— Stan Liou

@StanLiou Skala waktu Kelvin Helmholtz tidak dapat diterapkan pada objek yang didukung oleh tekanan degenerasi (parsial). Laju kontraksi Yupiter melambat dan akan berhenti menghasilkan energi melalui kontraksi dan mendingin pada radius yang hampir konstan, didukung oleh tekanan degenerasi.

— Rob Jeffries

@RobJeffries Ya, itu sebabnya saya mengatakan bahwa tidak pasti sejauh mana kondisi saat ini merupakan indikasi masa depan jangka panjang Jupiter yang sebenarnya. Namun, intinya adalah bahwa mengabaikan pembangkitan panas internal tanpa analisis lebih dalam seolah-olah itu jelas tidak pantas.

— Stan Liou

Dalam "satu triliun" tahun, nasib Jupiter akan dipengaruhi oleh seberapa keras Matahari kita jadinya ketika berubah menjadi Raksasa Merah, 5.000 juta tahun (5Gy) dari sekarang.

Dengan Matahari kita yang begitu besar dan cemerlang, itu akan memanaskan Jupiter jauh lebih banyak dari sekarang. Tetapi juga kehilangan massa akan membuat Jupiter berputar ke arah orbit yang lebih besar, sambil menangkap beberapa massa tambahan.

Jadi dalam "satu triliun" tahun Jupiter akan menjadi lebih besar, lebih dingin dan lebih padat (seperti yang ditunjukkan oleh Rob Jeffries dalam jawabannya), planet yang lebih eksternal di sekitar white dwarf.

— Envite
sumber

Ini adalah hal yang menarik. Tapi, saya pikir setelah satu triliun (1E12) tahun, apa yang terjadi dalam 10 miliar pertama sebagian besar akan dilupakan. yaitu evolusi selanjutnya sangat tergantung pada kondisi awal. Paling-paling itu akan "mengatur ulang jam ke nol" ketika Matahari menjadi raksasa.

— Rob Jeffries