Astronomía

¿No hay roca o material firme similar en los planetas gigantes gaseosos?

¿No hay roca o material firme similar en los planetas gigantes gaseosos?



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¿No hay roca o material firme similar en los planetas gigantes gaseosos? ¿Qué sucede si un asteroide rocoso choca contra uno de estos planetas? ¿No debería la roca acumularse en el centro del planeta debido a su alta densidad?


El interior de un planeta gigante no es como el gas normal.

Primero que nada, hace calor. Estás lejos de cómo se calienta el interior de la Tierra (provocando volcanes). También hace calor dentro de Júpiter, pero como Júpiter es más grande, hace más calor. Sería lo suficientemente caliente como para vaporizar la roca en "condiciones normales".

La presión es inmensa y las cosas dejan de comportarse como está acostumbrado cuando la presión es muy alta. Por ejemplo, todos los átomos de un gas se empujan tan juntos que se tocan (como si estuvieran en un líquido). Esto significa que no existe un punto de ebullición ni una diferencia real entre las fases gaseosa y líquida. A presiones extremas, los átomos de hidrógeno se empujan tan juntos que sus electrones pueden comenzar a fluir de un átomo a otro, formando un metal fluido.

La presión que puede empujar a los átomos tan cerca que pueden convertir el hidrógeno en un metal significa que no se puede enviar una sonda a esta región. No se puede nadar en un mar de hidrógeno metálico.

Sin embargo, los átomos más pesados, como el hierro, el silicio, el carbono, el oxígeno, tenderán a caer hacia el centro del planeta, por lo que puede haber un problema, dado que las rocas están compuestas principalmente de átomos como el hierro, el silicio, el carbono y el oxígeno. como un núcleo "rocoso". Pero no crea que se trata de una especie de superficie sólida sobre la que podría pararse.


El año más largo

No suelo escribir sobre objetos recién descubiertos que han batido récords y encontrados por astrónomos, porque en general no pasa mucho tiempo antes de que caiga ese récord. Pero en este caso, haré una excepción para Kepler-421b. Tiene el año más largo, es decir, tiene el período orbital más largo alrededor de su estrella, para cualquier exoplaneta visto hasta ahora cruzando frente a su estrella. *

Eso por sí solo es suficiente para hacer de este un objeto interesante, pero aún más fresco (literalmente) es donde coloca a este planeta: lo suficientemente lejos de su estrella como para que se haya formado de una manera diferente a los otros planetas que hemos detectado alrededor de otras estrellas. . Bien puede ser un gigante de hielo, como Urano o Neptuno, y no un gigante gaseoso o un planeta rocoso.

Primero, repasemos lo básico: la estrella anfitriona es Kepler-421, una estrella muy parecida al Sol pero un poco más pequeña y fría. Se encuentra a unos 1.000 años luz de distancia, lo que es bastante (la Vía Láctea tiene 100.000 años luz de diámetro). Desde la Tierra, eso hace que la estrella sea bastante débil.

El planeta, Kepler-421b, fue descubierto por el observatorio Kepler, un telescopio espacial que ha encontrado muchos de los exoplanetas recientemente descubiertos. Utiliza el método de tránsito para encontrar planetas si vemos la órbita del planeta alrededor de su estrella de borde, entonces, cada vez que el planeta pasa entre nosotros y la estrella, bloquea un poco la luz de la estrella. Es complicado, por ejemplo, Kepler-421b solo bloquea alrededor del 0,3 por ciento de la luz de la estrella. Pero con los detectores modernos, ese tipo de caída de luz es detectable.

En términos generales, necesita tres tránsitos para asegurarse de que tiene algo. Si ve solo una, podría ser una mancha estelar o algún otro objeto no planetario que interfiera con sus observaciones. Un segundo tránsito te dice el período orbital (el año) del planeta, pero aún podría ser una mancha estelar coincidente. Si obtienes un tercera transitar en el intervalo de tiempo correcto después del segundo, entonces puede estar más seguro.

Adaptado de un diagrama de Greg Loughlin

Para Kepler-421b, los astrónomos solo vieron dos tránsitos, lo que me hizo sospechar, pero después de leer su artículo me inclino más a pensar que lo consiguieron. La forma de la "curva de luz" y la increíble coincidencia entre los dos tránsitos hacen que sea muy probable que hayan encontrado un planeta. Para el resto de este artículo, simplemente asumiré que existe, pero recuerde que aún no se ha confirmado de forma independiente.

Kepler-421b tiene aproximadamente cuatro veces el diámetro de la Tierra (a juzgar por la cantidad de luz estelar que bloqueó) y tiene un año de 704 días terrestres. Es sorprendente que la mayoría de los exoplanetas encontrados tienen períodos mucho más cortos, como días o semanas. Esa órbita la sitúa a unos 180 millones de kilómetros (110 millones de millas) de la estrella. Dado que la estrella es más fría que el Sol, el planeta en realidad recibe aproximadamente un cuarto de la luz de su estrella como la Tierra recibe del Sol. Eso es incluso menos de lo que obtiene Marte, por lo que el planeta es bastante frío.

Y eso nos lleva a la segunda cosa interesante de este planeta. Los planetas se forman a partir de amplios discos de material que orbitan alrededor de la estrella cuando es joven. Cerca, hace calor (duh) para que no tenga mucho gas o hielo. El material del disco es principalmente metal y roca. Más lejos todavía hay metal y roca, pero el agua está en forma de hielo (esta distancia se llama la "línea de nieve", un término que me gusta), y hay mucha. Los planetas gigantes que se forman al menos tan lejos tienen mucho más hielo que los que están más adentro, y los llamamos gigantes de hielo. Para ser claros, estas no son bolas de hielo gigantes, se parecen mucho a los gigantes gaseosos, pero tienen más hielo en comparación con rocas y cosas más densas.

En nuestro sistema solar, Urano y Neptuno son gigantes de hielo. Dada la ubicación de Kepler-421b, también debería ser una. Si asumimos que es tan denso como Urano, tiene 16 veces la masa de la Tierra. Eso probablemente le dará una atmósfera espesa (y recuerda que hace mucho frío), por lo que no se parece en nada a la Tierra.

Pero es el primer gigante de hielo visto orbitando a otra estrella. Hemos visto otros planetas con masas y tamaños similares, pero orbitan más cerca y probablemente sean gigantes gaseosos. Los gigantes de hielo pueden ser bastante comunes entre los exoplanetas, pero son bastante difíciles de detectar. Por un lado, el largo período significa que debe esperar mucho tiempo para confirmarlos. Además, cuanto más grande es la órbita, menos probable es que obtengamos un tránsito: se puede ver que un planeta cercano a su estrella transita desde una amplia gama de ángulos de visión, pero un planeta más distante necesita un tránsito más restringido. viendo la geometría (la órbita tiene que ser más precisa de borde) para que podamos detectarla.

Encontrar Kepler-421b significa que los astrónomos pueden comenzar a encontrar más. Ver un planeta puede ser una anomalía, pero si encuentra 20 más como ese, puede comenzar a categorizarlos. Esto significa que pueden usar la física y los modelos para comprender mejor cómo se forman los planetas, especialmente tan lejos de su estrella madre. Todavía estamos averiguando eso para nuestro propio sistema solar, por lo que tener otros ejemplos con los que comparar y contrastar es muy útil.

Y entonces esa es por qué estoy dispuesto a escribir sobre un récord, incluso si ese récord se rompe pronto. Como es habitual en astronomía, ¡espero que lo sea! Eso convierte a este planeta de un bicho raro en el primer miembro de su clase, y eso significa que podemos aprender cosas. Y astrónomos amor aprender cosas.

* Corrección, 23 de julio de 2014: Este artículo originalmente declaró que Kepler-421b tiene el año más largo de cualquier exoplaneta conocido. Tiene el año más largo de cualquier exoplaneta encontrado por el método de tránsito.


En la búsqueda de exoplanetas denominados “Ricitos de oro & # x27”, aquí hay algunas de las características deseables que uno debe tener:

  • El planeta debe estar a cierta distancia de su estrella madre, donde hipotéticamente sería capaz de retener agua líquida en la superficie sin que se evapore en el espacio o se congele. Esta región no tiene una distancia establecida, ya que depende del tamaño, la masa y la temperatura de la estrella.
  • El planeta necesita permanecer en una órbita estable que no lo lleve demasiado lejos de la zona habitable de su sistema planetario. La mayoría de los planetas que hemos encontrado tienen órbitas muy excéntricas que normalmente llevan al planeta demasiado cerca de su estrella y demasiado lejos. Cualquier vida existente en el planeta tendría dificultades para adaptarse a los bruscos saltos de temperatura.

En ese sentido, no deberíamos descartar ningún planeta en una de estas órbitas oblongas, ya que hemos descubierto ciertas formas de vida en la Tierra, como bacterias, hongos y arqueas, que prosperan en algunos entornos muy duros y aparentemente inhóspitos. Según Stephen Kaine, un astrónomo que ayudó a crear la galería Habitable Zone, que básicamente estima la distancia que tendría que estar un planeta específico de su estrella madre para que el agua existente en el exoplaneta permanezca en forma líquida (sin agua = sin carbono vida basada):

“Básicamente, algunos organismos pueden reducir su metabolismo a cero para sobrevivir a condiciones de frío muy duraderas. Sabemos que otros pueden soportar condiciones de calor muy extremas si tienen una capa protectora de roca o agua. Incluso se han realizado estudios en esporas, bacterias y líquenes terrestres, que muestran que pueden sobrevivir tanto en entornos hostiles en la Tierra como en las condiciones extremas del espacio ”.

[Referencia: "Las formas de vida extremas podrían sobrevivir en exoplanetas excéntricos"]

También se apresura a señalar que no deberíamos limitar necesariamente nuestra búsqueda a exoplanetas "super-Tierra". Como hemos visto con nuestro sistema solar, los cuerpos celestes más habitables no son necesariamente otros planetas, sino las lunas en órbita alrededor de otros cuerpos gaseosos grandes. Por lo tanto, debemos concluir que con nuestro conocimiento limitado del sistema solar alienígena, podría no estar muy lejos de la realidad suponer que los planetas con luna descubierta son la regla, no la excepción, lo que abre una capa completamente nueva al planeta habitable. parte delantera. Los dejo con una cosa más para contemplar: una cita parafraseada que dijo Stephen Hawking: "Es más probable que haya una cantidad insondable de especies exóticas extranjeras en lugar de que no haya ninguna". Creo que eso definitivamente se aplica aquí.


¿Qué tan "parecido a la Tierra" es el planeta más nuevo?

En la fiebre por la tierra conocida como caza de planetas extrasolares, la propiedad inmobiliaria más preciada se anuncia como "similar a la tierra". El lunes 13 de junio, los científicos se apresuraron a plantar su bandera en un trozo de roca en llamas que orbita alrededor de una estrella roja.

Este planeta recién descubierto tiene aproximadamente siete veces la masa de la Tierra y, por lo tanto, es el planeta extrasolar más pequeño que orbita una secuencia principal, o estrella "enana" (estrellas, como nuestro sol, que queman hidrógeno).

Se sabe que existen planetas incluso más pequeños más allá de nuestro sistema solar, pero tienen la desgracia de rodear púlsares, esas cáscaras de estrellas moribundas que giran rápidamente. No se cree que tales planetas sean remotamente habitables, debido a la intensa radiación emitida por los púlsares.

Se cree que los planetas que tienen diez masas terrestres o menos son rocosos, mientras que los planetas más masivos probablemente son gaseosos, ya que su gravedad más fuerte significa que recolectan y retienen más gas durante la formación planetaria. Hasta ahora se han encontrado 155 planetas extrasolares, pero la mayoría de ellos tienen masas que son más comparables a Júpiter gaseoso que a la Tierra rocosa (Júpiter tiene 318 veces la masa de la Tierra).

Aunque este nuevo planeta se anuncia como parecido a la Tierra debido a su masa relativamente baja, los terrícolas no querrían alquilar una casa allí en el corto plazo. Por un lado, la casa se derretiría. Las temperaturas de la superficie estimadas para este planeta & # 8211 200 a 400 grados Celsius (400 a 750 grados Fahrenheit) & # 8211 se deben a que el planeta & # 8217 se besa cerca de su estrella.

El planeta se encuentra a solo 0,021 AU de la estrella Gliese 876 (1 AU es la distancia entre la Tierra y el sol) y completa una órbita en menos de dos días terrestres. El planeta más cercano al sol en nuestro propio sistema solar & # 8211 Mercurio ardiente y caliente & # 8211 está casi 20 veces más lejos, orbitando alrededor de 0.4 AU.

"Debido a que el planeta está en una órbita de dos días, se calienta a temperaturas similares a las de un horno, por lo que no esperamos vida", dice el miembro del equipo científico Paul Butler de la Carnegie Institution de Washington.

En nuestro sistema solar, la zona habitable & # 8211 la región templada donde el agua podría existir como líquido en un planeta & # 8217s superficie & # 8211 es aproximadamente de 0,95 a 1,37 AU, o entre las órbitas de Venus y Marte. La estrella Gliese 876 es aproximadamente 600 veces menos luminosa que nuestro sol, por lo que la zona habitable propuesta está mucho más cerca, aproximadamente entre 0,06 y 0,22 AU.

A 0.021 AU, el nuevo planeta está demasiado cerca de la estrella para estar en la zona habitable, y también está sujeto a mayores cantidades de radiación de alta energía como luz ultravioleta y rayos X. Si bien las enanas rojas como Gliese 876 emiten niveles más bajos de rayos ultravioleta que las estrellas como nuestro sol, emiten violentas llamaradas de rayos X.

Otra complicación de una órbita tan cercana es que el planeta puede estar bloqueado por mareas, con el mismo lado del planeta siempre mirando hacia la estrella. A menos que haya una atmósfera sustancial para distribuir el calor, un lado del planeta se cocinará demasiado mientras que el otro permanecerá frío.

Se cree que Gliese 876 tiene alrededor de 11 mil millones de años, lo que lo hace más del doble de edad que nuestro sol. Pero en cierto modo, Gliese es una adolescente para nuestro sol y un adulto de mediana edad. Las estrellas de clase G como nuestro sol viven unos 10 mil millones de años, mientras que se cree que las enanas rojas de clase M viven 100 mil millones de años (¡más antiguas que la edad del universo!).

El miembro del equipo científico Geoff Marcy de la Universidad de California, Berkeley, dice que las estrellas M tardan mucho en enfriarse y encogerse a su tamaño de secuencia principal y luminosidad. Él dice que si el planeta migró hacia adentro hasta su órbita cercana actual, probablemente hizo este movimiento durante los primeros millones de años, y luego estuvo sujeto a mucha más radiación que en la actualidad durante cientos de millones de años.

Al combinar la alta sensibilidad de los telescopios espaciales con las imágenes nítidas y detalladas de un interferómetro, TPF podrá reducir el resplandor de las estrellas madre para ver sistemas planetarios tan lejanos como 50 años luz.
Crédito: NASA

Se cree que Gliese 876 es pobre en metales (para un astrónomo, cualquier elemento más pesado que el hidrógeno y el helio se clasifica como un "metal"). La formación de planetas puede estar relacionada con la metalicidad de la estrella, ya que tanto la estrella como los planetas se forman a partir del mismo material original. Por lo tanto, se espera que un planeta rocoso como la Tierra, hecho de elementos como silicatos y hierro, orbite una estrella rica en metales.

A pesar de ser pobre en metales, Gliese 876 es un sistema de planetas múltiples. Se sabe que dos planetas gigantes gaseosos orbitan alrededor de Gliese 876: el planeta más externo tiene casi el doble de la masa de Júpiter, y orbita a 0,21 AU, el planeta del medio tiene aproximadamente la mitad de la masa de Júpiter, orbitando a 0,13 AU.

"Todo el sistema planetario es una especie de miniatura de nuestro sistema solar", dice Marcy. "La estrella es pequeña, las órbitas son pequeñas, y más cerca está la más pequeña de ellas, al igual que la arquitectura es en nuestro propio sistema solar, con los planetas más pequeños orbitando hacia el interior de los gigantes".

Tenemos mucho más espacio para los codos en nuestro sistema solar. Mercurio está más lejos del sol que las distancias de todos estos planetas juntos. Los planetas del sistema Gliese 876 están tan juntos que interactúan gravitacionalmente entre sí. Este tipo de tira y afloja gravitacional fue la forma en que los científicos pudieron detectar los planetas en primer lugar.

En el transcurso de una órbita, los planetas atraerán gravitacionalmente a su estrella desde diferentes lados. Los científicos miden el cambio resultante en la luz de las estrellas para determinar la existencia de planetas en órbita.

El punto azul pálido similar a la Tierra real. Vista desde el espacio.
Crédito: NASA

Para obtener más información sobre el planeta más pequeño de Gliese 876 & # 8217, los científicos necesitarían utilizar otra técnica de búsqueda de planetas llamada fotometría de tránsito. Este método observa cómo la luz de una estrella parece descender cuando un planeta pasa frente a la estrella desde nuestro campo de visión. El eclipse del planeta en órbita permite a los astrónomos determinar la masa y el radio de ese planeta. Fijar esos números indica la densidad del planeta, que luego sugiere de qué está hecho el planeta y si el planeta es rocoso o gaseoso.

Sin embargo, la fotometría de tránsito no puede usarse para decirnos algo sobre los planetas que orbitan alrededor de Gliese 876, porque el sistema está inclinado 40 grados desde nuestro punto de vista. Este ángulo significa que los planetas no bloquearán la luz de las estrellas que llegue a la Tierra.

Las enanas rojas son el tipo de estrella más común en nuestra galaxia y comprenden alrededor del 70 por ciento de todas las estrellas. Sin embargo, de las 150 enanas rojas que han estudiado a lo largo de los años, Marcy y Butler solo han encontrado planetas orbitando dos de ellas. Debido a que la mayoría de los planetas encontrados hasta ahora son gigantes gaseosos, esto podría significar que las enanas rojas son menos aptas para albergar ese tipo de mundos.

Marcy dice que continuarán monitoreando Gliese 876 en busca de indicios de un cuarto o quinto planeta. "Esta será definitivamente una de nuestras estrellas favoritas a partir de ahora", señala.

Una carrera hacia la meta

El artículo de investigación que describe este descubrimiento ha sido enviado al Astrophysical Journal. Los científicos dicen que recibieron un informe de árbitro preliminar favorable y # 8217s, y esperan que su artículo sea aceptado y luego publicado en unos meses. Durante la conferencia de prensa del lunes & # 8217, se preguntó a los científicos por qué decidieron publicar su hallazgo ahora, antes de que el artículo fuera aceptado para su publicación. ¿Fue para vencer a otros cazadores de planetas que podrían estar pisándoles los talones?

Marcy respondió que querían evitar que se filtrara la noticia de su descubrimiento. "Lo sabíamos hace tres años, lo hemos estado siguiendo en silencio, con cuidado, guardando el secreto mientras lo comprobamos dos y tres veces". Luego, hace aproximadamente un mes, hablé con Michael Turner aquí, la gente de NSF (National Science Foundation), y juntos decidimos que este descubrimiento era tan extraordinario, tal vez lo que llamaría un hito en la ciencia planetaria, que era difícil imaginar mantener la tapa en esto por mucho más tiempo. Así que decidimos que, en lugar de que se filtrara a los medios de comunicación, y que un periódico se enterara de ello desde el principio y así sucesivamente, sería mejor anunciarlo rápidamente ".

Luego, Marcy se lanzó a defender por qué creía que su hallazgo era correcto, y rápidamente fue respaldado por sus compañeros de equipo. Sin embargo, no se había cuestionado la exactitud de su hallazgo. Quizás su anuncio anticipado, combinado con la necesidad de mantener el secreto de antemano, sea evidencia de la intensa competencia que ha marcado la caza de planetas desde el principio.

El primer descubrimiento de un planeta extrasolar fue anunciado el 5 de octubre de 1995 por Michel Mayor y Didier Queloz del Observatorio de Ginebra, y Marcy y Butler confirmaron las observaciones la semana siguiente. Un ejemplo reciente de la competencia para apoderarse de otro planeta extrasolar & quot; por primera vez & quot; ocurrió el verano pasado, cuando el 25 de agosto de 2004, el alcalde, Nuno Santos, y sus colegas anunciaron el descubrimiento del primer planeta extrasolar con masa de Neptuno & # 8212 en el momento en que el extrasolar más pequeño planeta conocido por orbitar una estrella similar al sol. Este anuncio se produjo menos de una semana antes de que Marcy y Butler anunciaran otros dos descubrimientos de planetas con masa de Neptuno.

Mayor y sus colegas también han estudiado Gliese 876. En una conferencia de astronomía en junio de 1998, Mayor y Marcy anunciaron de forma independiente la detección del gigante gaseoso más masivo que orbita esta estrella. Marcy y Butler fueron los primeros en dar seguimiento a este hallazgo, anunciando el descubrimiento de la estrella y el segundo planeta gigante gaseoso # 8217 en 2001.

La misión Kepler, que se lanzará en junio de 2008, buscará planetas terrestres que orbitan estrellas distantes. La misión define un planeta del tamaño de la Tierra como entre 0,5 y 2,0 masas terrestres, o entre 0,8 y 1,3 de diámetro de la Tierra. Los planetas entre 2 y 10 masas terrestres, como el planeta anunciado el lunes, se definen como grandes planetas terrestres.


¿Por qué planetas como Neptuno y Urano tienen núcleos rocosos del tamaño de la Tierra y, sin embargo, atmósferas increíblemente enormes y, sin embargo, la Tierra tiene una atmósfera tan delgada?

Pregunta secundaria: ¿es la Tierra el & quot; núcleo rocoso & quot de nuestro planeta?

Básicamente, esto tiene que ver con dónde en el Sistema Solar se formó el planeta.

Primero, existe un concepto en la ciencia planetaria conocido como la línea de escarcha. Actualmente, se encuentra alrededor de 5 AU, donde 1 AU = distancia Tierra-Sol, aunque hace 4.600 millones de años cuando se estaban formando los planetas, creemos que estaba más cerca de 3 AU.

En segundo lugar, los planetas se forman primero acumulando lentamente grupos sólidos a través de la atracción gravitacional mutua. En algún momento, la atracción gravitacional del protoplaneta es lo suficientemente fuerte como para comenzar a retener gases. Los gases pesados ​​como el dióxido de carbono se mueven casi 7 veces más lento que los gases ligeros como el hidrógeno, por lo que los gases pesados ​​tienen más dificultades para alcanzar la velocidad de escape del planeta. Como resultado, un protoplaneta en formación se aferra primero a los gases pesados ​​si puede llegar a

Con 10 masas terrestres, su atracción gravitacional será lo suficientemente fuerte como para retener gases ligeros como el hidrógeno también.

Ahora dejemos que & # x27s junten esos dos: dentro de la línea de escarcha, el único sólido que los protoplanetas pueden usar para comenzar a formarse es la roca. Fuera de la línea de escarcha, tanto la roca como el hielo son sólidos, por lo que los planetas formadores pueden usar ambos. y hay mucho hielo. Si está lo suficientemente lejos, eso también puede incluir hielo de dióxido de carbono, hielo de amoníaco, hielo de nitrógeno, etc.

En el caso de la Tierra, se formó a partir de la roca que había alrededor, aproximadamente 1 masa terrestre. Eso proporcionó suficiente gravedad para retener gases más pesados ​​como nitrógeno y dióxido de carbono, pero no gases ligeros como hidrógeno o helio.

En el caso de Neptuno, estaba lo suficientemente lejos para formarse a partir de rocas y varias variedades de hielo. y hay mucho hielo. En masa, Neptuno se formó a partir de aproximadamente un 80% de agua + hielo de amoníaco, aproximadamente un 5% de roca y aproximadamente un 15% de hidrógeno + gas helio. Si sumas solo la roca y el hielo, obtienes aproximadamente 14 masas terrestres. Eso es justo después del umbral de 10 masas terrestres para retener hidrógeno, pero probablemente solo cruzó ese umbral al final del juego, por lo que solo logró recolectar aproximadamente 3 masas terrestres de hidrógeno antes de que la nebulosa solar se disipara. Esta es exactamente la razón por la que preferimos el término "gigante" para Urano y Neptuno en lugar de gigante gaseoso.

Pregunta secundaria: ¿es la Tierra el & quot; núcleo rocoso & quot de nuestro planeta?

Claro, en una primera aproximación muy razonable, se podría decir que la Tierra es un núcleo rocoso. La diferencia es que dentro de los planetas gigantes, el núcleo rocoso está sometido a presiones increíbles, mucho mayores que cualquier otra cosa en el centro de nuestro propio planeta. Las cosas se calientan y se comprimen inusualmente allí (la roca es aproximadamente 4 veces más densa en el núcleo de Júpiter que en la Tierra, y muy probablemente no es sólida), y pueden surgir estados exóticos de la materia en condiciones de alta presión.


Hay 6 'materiales más fuertes' en la tierra que son más duros que los diamantes

Las configuraciones atómicas y moleculares vienen en un número casi infinito de combinaciones posibles, pero el. [+] combinaciones específicas encontradas en cualquier material determinan sus propiedades. Si bien los diamantes se consideran clásicamente como el material más duro que se encuentra en la Tierra, no son ni el material más fuerte en general ni siquiera el material natural más fuerte. En la actualidad, hay seis tipos de materiales que se sabe que son más fuertes, aunque se espera que ese número aumente a medida que pasa el tiempo.

El carbono es uno de los elementos más fascinantes de toda la naturaleza, con propiedades químicas y físicas como ningún otro elemento. Con solo seis protones en su núcleo, es el elemento abundante más ligero capaz de formar una gran cantidad de enlaces complejos. Todas las formas de vida conocidas se basan en el carbono, ya que sus propiedades atómicas le permiten unirse hasta con otros cuatro átomos a la vez. Las posibles geometrías de esos enlaces también permiten que el carbono se autoensamble, particularmente bajo altas presiones, en una red cristalina estable. Si las condiciones son las adecuadas, los átomos de carbono pueden formar una estructura sólida y ultradura conocida como diamante.

Aunque los diamantes se conocen comúnmente como el material más duro del mundo, en realidad hay seis materiales que son más duros. Los diamantes siguen siendo uno de los materiales más duros y abundantes de la Tierra, pero estos seis materiales lo superan.

La telaraña de la araña de corteza de Darwin es la telaraña de tipo orbe más grande producida por cualquier araña en la Tierra, y. [+] la seda de la corteza de la araña de Darwin es la más fuerte de cualquier tipo de seda de araña. La hebra única más larga se mide a 82 pies. Una hebra que rodea la Tierra entera pesaría apenas 1 libra.

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

Mención de Honor: hay tres materiales terrestres que no son tan duros como el diamante, pero siguen siendo notablemente interesantes por su fuerza en una variedad de modas. Con el advenimiento de la nanotecnología, junto con el desarrollo de la comprensión a nanoescala de los materiales modernos, ahora reconocemos que hay muchas métricas diferentes para evaluar materiales físicamente interesantes y extremos.

En el aspecto biológico, la seda de araña es conocida como la más resistente. Con una relación resistencia-peso más alta que la mayoría de los materiales convencionales como el aluminio o el acero, también es notable por lo delgado y pegajoso que es. De todas las arañas del mundo, las arañas de corteza de Darwin tienen las más resistentes: diez veces más fuertes que el kevlar. Es tan delgado y liviano que aproximadamente una libra (454 gramos) de seda de araña de corteza de Darwin compondría una hebra lo suficientemente larga como para trazar la circunferencia de todo el planeta.

El carburo de silicio, que se muestra aquí después del ensamblaje, normalmente se encuentra como pequeños fragmentos del natural. [+] mineral presente en moissanita. Los granos se pueden sinterizar juntos para formar estructuras complejas y hermosas como la que se muestra aquí en esta muestra de material. Es casi tan duro como el diamante y se ha sintetizado sintéticamente y se conoce de forma natural desde finales del siglo XIX.

Para un mineral de origen natural, el carburo de silicio, que se encuentra naturalmente en forma de moissanita, tiene solo un poco menos de dureza que los diamantes. (Aún es más duro que cualquier seda de araña.) Una mezcla química de silicio y carbono, que ocupan la misma familia en la tabla periódica, los granos de carburo de silicio se han producido en masa desde 1893. Se pueden unir entre sí a través de un alto proceso de presión pero a baja temperatura conocido como sinterización para crear materiales cerámicos extremadamente duros.

Estos materiales no solo son útiles en una amplia variedad de aplicaciones que aprovechan la dureza, como frenos y embragues de automóviles, placas en chalecos antibalas e incluso armaduras de batalla adecuadas para tanques, sino que también tienen propiedades semiconductoras increíblemente útiles para su uso en electrónica.

Los científicos han utilizado las matrices de pilares ordenadas, que se muestran aquí en verde, como medios porosos avanzados. [+] separa varios materiales. Al incrustar nanoesferas de sílice, aquí, los científicos pueden aumentar el área de superficie utilizada para separar y filtrar materiales mezclados. Las nanoesferas que se muestran aquí son solo un ejemplo particular de nanoesferas, y la variedad de autoensamblaje está casi a la par con los diamantes en cuanto a resistencia del material.

Laboratorios Nacionales Oak Ridge / flickr

Diminutas esferas de sílice, desde 50 nanómetros de diámetro hasta solo 2 nanómetros, se crearon por primera vez hace unos 20 años en los Laboratorios Nacionales Sandia del Departamento de Energía. Lo notable de estas nanoesferas es que son huecas, se autoensamblan en esferas e incluso pueden anidar unas dentro de otras, sin dejar de ser el material más rígido conocido por la humanidad, solo un poco menos duro que los diamantes.

El autoensamblaje es una herramienta increíblemente poderosa en la naturaleza, pero los materiales biológicos son débiles en comparación con los sintéticos. Estas nanopartículas autoensamblables podrían usarse para crear materiales personalizados con aplicaciones desde mejores purificadores de agua hasta células solares más eficientes, desde catalizadores más rápidos hasta electrónica de próxima generación. Sin embargo, la tecnología de ensueño de estas nanoesferas autoensamblables es una armadura corporal imprimible, personalizada según las especificaciones del usuario.

Los diamantes pueden comercializarse como para siempre, pero tienen límites de temperatura y presión como cualquier otro. [+] otro material convencional. Si bien la mayoría de los materiales terrestres no pueden rayar un diamante, hay seis materiales que, al menos en muchas medidas, son más fuertes y / o más duros que estas redes de carbono naturales.

Los diamantes, por supuesto, son más duros que todos estos, y aún así se ubican en el puesto número 7 en la lista de todos los tiempos de los materiales más duros encontrados o creados en la Tierra. A pesar de que han sido superados por otros materiales naturales (pero raros) y sintéticos hechos por humanos, todavía tienen un récord importante.

Los diamantes siguen siendo el material más resistente a los arañazos conocido por la humanidad. Los metales como el titanio son mucho menos resistentes a los arañazos, e incluso las cerámicas extremadamente duras o el carburo de tungsteno no pueden competir con los diamantes en términos de dureza o resistencia a los arañazos. Otros cristales que son conocidos por su extrema dureza, como los rubíes o los zafiros, aún no llegan a los diamantes.

Pero seis materiales tienen incluso el tan aclamado ritmo del diamante en términos de dureza.

Al igual que el carbono se puede ensamblar en una variedad de configuraciones, el nitruro de boro puede asumir. [+] configuraciones amorfas, hexagonales, cúbicas o tetraédricas (wurtzita). La estructura del nitruro de boro en su configuración de wurtzita es más fuerte que los diamantes. El nitruro de boro también se puede utilizar para construir nanotubos, aerogeles y una amplia variedad de otras aplicaciones fascinantes.

Benjah-bmm27 / dominio público

6.) nitruro de boro de wurtzita. En lugar de carbono, puede hacer un cristal a partir de otros átomos o compuestos, y uno de ellos es el nitruro de boro (BN), donde los elementos quinto y séptimo de la tabla periódica se unen para formar una variedad de posibilidades. Puede ser amorfo (no cristalino), hexagonal (similar al grafito), cúbico (similar al diamante, pero ligeramente más débil) y la forma wurtzita.

La última de estas formas es extremadamente rara, pero también extremadamente dura. Formado durante erupciones volcánicas, solo se ha descubierto en cantidades mínimas, lo que significa que nunca hemos probado sus propiedades de dureza experimentalmente. Sin embargo, forma un tipo diferente de red cristalina, una tetraédrica en lugar de una cúbica centrada en la cara, que es un 18% más dura que el diamante, según las simulaciones más recientes.

Dos diamantes del cráter Popigai, un cráter formado con la causa conocida del impacto de un meteorito. La . [+] el objeto de la derecha (marcado a) está compuesto puramente de diamante, mientras que el objeto de la izquierda (marcado con b) es una mezcla de diamante y pequeñas cantidades de lonsdaleita. Si la lonsdaleita pudiera construirse sin impurezas de ningún tipo, sería superior en términos de resistencia y dureza al diamante puro.

Hiroaki Ohfuji y otros, Nature (2015)

5.) Lonsdaleita. Imagina que tienes un meteoro lleno de carbono y, por lo tanto, que contiene grafito, que atraviesa nuestra atmósfera y choca con el planeta Tierra. Si bien puede imaginarse un meteoro que cae como un cuerpo increíblemente caliente, solo las capas externas se calientan, el interior permanece frío durante la mayor parte (o incluso, potencialmente, todo) de su viaje hacia la Tierra.

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.

Let me explain. 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. These 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.


Ver el vídeo: Ο ΝΑΝΟΣ ΠΛΑΝΗΤΗΣ ΠΛΟΥΤΩΝ από το Ηλιακό Σύστ. στο Διάστημα 13. Κωννος Αθ. Οικονόμου (Septiembre 2022).