Защо Слънцето и планетите са от различен материал

Лесно може да решим, че Земята и Слънцето се различават само по маса - ако направим планетата ни много по-масивна, тя ще се превърне в звезда.

Но как може да си обясним, че ако хелият, заедно с водорода, изграждат Слънцето (и звездите), защо този елемент е толкова малко на Земята?

На този въпрос отговаря астрофизикът Итън Сийгъл (Ethan Siegel) в своя блог.

Веществата, изграждащи планетите не са просто различни от материята на звездите, то всъщност е съвсем друго.

^{Sarah Johnson - Plant Ecology Research Lab.}

Ако обърнем внимание на повърхността на нашата планета, ще открием най-различни елементи наоколо - около 90 и повече елемента в естествени находища.

Водородът е в изобилие, но не преобладава, особено по маса. Въздухът, който дишаме, е предимно азот и кислород. Океаните, които покриват нашаъа планета, са около 11% водород по маса (защото всеки атом кислород е 16 пъти по-масивен от водорода). Твърдото вещество на живите и неживите неща от скали до кал, от растения до животни, съдържа водород в значителни количества, но много повече в него са натрий, кислород, силиций, алуминий и цял куп други елементи.

_{Източник: Gordon B. Haxel, Sara Boore, and Susan Mayfield from USGS; vectorized by wikimedia commons User:michbich.}

Ако се гмурнем надълбоко в нашата планета, положението става още по-лошо. Разбира се, може да намерим някъде в подземните кухини хелий, но той е получен от радиоактиван разпад на свръхтежки елементи за милиарди години. Малки количества водород също има там, но колкото по-дълбоко отиваме, толкова стигаме до все по-тежки и по-тежки елементи - метали като желязо, никел и кобалт, както и елементи, които надхвърлят границата на стабилност на периодичната таблица.

^{Източник: USGS / Wikimedia Commons user Anasofiapaixao.}

Ние знаем това, защото слоевете на Земята стават все по-плътни и по-плътни, спускайки се по-дълбоко. И това не се дължи само заради гравитационно смачкване, просто по-тежките елементи потъват на дъното.

Това последното е изключително важно, така че ще го кажа отново: когато Земята е била много млада, на нея е имало огромно разнообразие от елементи, но по-тежките елементи потъват на дъното, а по-леките елементи остават да "плават" отгоре, по същия начин, както по-малко плътните течности плават над по-плътните.

^{Течности и предмети по големина на плътността: топче пинг-понг; керосин (газ за горене); медицински спирт; пластмасова капачка от бутилка; растително олио; мъниста; вода; чери домат; препарат за миене на съдове; мляко; зарче; кленов сироп; сърцевина на пуканка; царевичен сироп; мед; метален болт. Източник: Steve Spangler Science}

Така че, когато изучаваме повърхността на Земята, ние всъщност виждаме най-леките елементи, от които е направена нашата планета, показани на повърхността; по-голямата част от елементите, които имаме, са по-тежки и по-плътни. Така че, ние наистина имаме много малко водород и хелий.

^{Слънчевият спектър с висока резолюция. Източник: N.A.Sharp, NOAO/NSO/Kitt Peak FTS/AURA/NSF}

И така, да преминем към Слънцето и звездите. Да погледнем слънчевия спектър: може да видите, че има най-различни абсорбционни линии там, представящи пълната гама от елементи, намерени на Земята, както и няколко, които не са срещат тук изобщо. 

Но едно нещо наистина се откроява: два набора от линии на поглъщане - тези на водород и хелий - са много силни. Когато разбрахме как работят звездите, и как температурата, йонизацията и изобилието на елементи са свързани, ние открихме, че Слънцето е направено от приблизително 70% водород, 28% хелий и само около 1 до 2% "други елементи".

^{Източник: NASA / Goddard Space Flight Center / SDO}

A 99% от Земята се състои от "други елементи"! Но защо е така? За да разберем, нека да се върнем назад към времето, от което всичко започва - към мъглявината, от която се формират звездите. Това са молекулярни облаци от газ - предимно водород, много хелий, както и малки количества от други елементи - които започват да колапсират заради собствената си гравитация.

^{Източник: Tom O’Donoghue}

В най-ранните етапи на формирането на една звезда, гравитацията е единственото нещо, което има значение. Облакът от газ неизбежно се появяват сгъстявания и плътността им араства, а участъците с по-голяма плътност привличат все повече и повече материя. Тъй като гравитационният колапс е относително бърз, а газовите облаци нямат много ефективен начин за излъчване на своята енергия надалеч, сколапсът води до нагряване на вътрешността на тези сгъстявания. Не след дълго, водородът в ядрото достига нужната температура и плътност, за да започне ядрен синтез.

^{Източник: ESO}

Новородените звезди са много различни - с различни цветове, температури и маси. Но повечето от тях не се образуват в изолация, а в компанията на други, по-малки "бучки" материя около тях. Най-големите от тях, в крайна сметка ще се превърнат в скалисти планети, газови гиганти, а в екстремните случаи, други звезди.

^{Източник: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC).}

В същото време, енергията, излъчвана от звездата майка в системата, се разпръсква навън и взаимодейства с всичко, което среща в Слънчевата система. Това включва слънчевия вятър, йони, електрони и - разбира се - фотони. А д какво се срещат тези високоенергийни частици?

^{Източник: Gemini Observatory/AURA artwork by Lynette Cook.}

При всяка планета или планетоид те се срещат с най-външниър, най-леки елементи, защото именно те "плават" на повърхността над по-тежките, които вече са потънали по-близо до центъра. Представете си, че ритвате футболна топка с всичка сила, а после го сравнете с това, което се случва, ако ритнете топка за боулинг толкова силно, колкото можете. Не мисли за крака си - представете си топката! Футболната топка, най-вероятно, ще получи голяма скорост и ще излети бързо и далече, докато топката за боулинг едва ли ще се отмести много. 

Защо? Защото един и същи импулс енергия, предаден на обекти с различни маси, ще накара по-леките да се движат по-бързо.

^{Графика на отнесените от повърхността на планетата газове.  Линията на газа, която е над планетата, означава, че той може да "избяга" от гравитацията й. Именно затова никоя от скалистите планети няма атмосфера от водород / хелий, но всичките четири газовите гиганти имат. Източник: James Schombert}

Такъв ритник е достатъчен за почти всички планети да изхвърли почти всичкия водород и хелий в междузвездното пространство. Енергията, излъчвана от звездата, е достатъчно, за да придаде на тези атоми скоростта, необходима за преодоляване на привличането и те вече няма да са свързани с тази планета.

^{Източник: NASA / Voyager spacecrafts / Lunar and Planetary Institute.}

Само газовите гиганти, светове с маса около два пъти повече от масата на Земята, или повече - гравитацията е достатъчно силна, за да задържи водорода и хелия. И колкото по-масивна е планетата, толкова по-дебела обвивка може да задържи около себе си. Очаква се газовите гиганти да имат плътно твърдо ядро, състоящо се от тежки елементи, но ще е скрито под много слоеве, в които преонладава водорода.

^{Източник: NASA / Lunar and Planetary Institute.}

И така, всички планети (и звезди) се раждат от едни и същи материали, и ако не беше радиацията, излъчвана от звездите, на всяка планета ще преобладава водородът и хелият, точно както е при нашето Слънце и звездите. Но заради близостта до енергиен източник, всички елементи получават енергиен "ритник", и в случая на скалистите планети, ударът е достатъчен, за да се освободят от почти всичкия свободен водород и хелий. Но ако е натрупала достатъчно маса - и/или планетата е достатъчно отдалечена от звездата - може да се задържат най-леките елементи, въпреки радиацията. И колкото е по-масивна, толкова повече може да задържи. А масата й може да расте до границата от около 8% масата на Слънцето, защото след като достигне до нея, ще започне синтез на водород в хелий, и ще стане самата тя звезда!

^{Източник: MPIA/V. Joergens.}

Още по темата

05/06/2016

Космос

Защо Вселената не се е превърнала в черна дупка?

12/06/2016

Скептик

Наука ли е астрологията? Oтговаря астрофизикът Итън Сийгъл

04/05/2016

Физика

Колко нива има Мултивселената?

29/02/2016

Земята

Земята забавя въртенето си, високосният ден е на път да изчезне