Estas preguntas se pueden dividir en dos; para planetas y satélites.
La diversidad de los planetas refleja en parte la diversidad en términos de composición química del disco protoplanetario. Sabemos que la radiación UV del sol puede disociar moléculas complejas o incluso muy simples; Por ejemplo, cuando los rayos UV dividen las moléculas de agua, el resultado son átomos de hidrógeno y oxígeno libres. Dado que el hidrógeno es extremadamente liviano, pueden transportarse fácilmente en el flujo de los vientos estelares. Entonces, el agua, para mantener ese ejemplo, si cerca del sol pudiera terminar disociada y agotada de la región del disco, pero por encima de la llamada "línea de nieve"La radiación UV del Sol era tan débil que esto no podía suceder con tanta frecuencia y, por lo tanto, las moléculas de agua (que son muy pesadas en comparación con los átomos de hidrógeno individuales) permanecieron allí. Eso solo explica la dicotomía entre los planetas interiores y exteriores en términos de contenido de agua, e incluso entonces, algunos procesos (como el bombardeo pesado tardío ) podrían agregar algo de agua al interior (como sucedió en la Tierra). Pero este razonamiento no es solo para que el agua, el dióxido de carbono, el amoníaco, el metano y cientos de moléculas diferentes tengan sus propias "líneas de hielo". Más cerca del sol, el carbono no puede ser metano es un gas volátil que se empuja rápidamente hacia afuera, pero a algunas décimas de UA el metano puede permanecer en condiciones estables e incluso condensarse en gotas líquidas.
Todo esto solo para decir que el disco protoplanetario NO era homogéneo en términos de composición química, y no era homogéneo en términos de densidad o presión. El gradiente térmico y químico a través de la nebulosa asegura cierta diversidad y complejidad para todo el sistema planetario.
Aquí tiene un diagrama hermoso que muestra cómo diferentes compuestos químicos podrían condensarse en diferentes temperaturas y presiones en el disco protoplanetario.
Además, la acreción de los planetesimales es más enérgica más cerca del Sol (lo que significa que las rupturas pueden ocurrir con mayor frecuencia y es difícil que un planeta crezca grande), mientras que en las regiones externas los planetas pueden aumentar de masa con regularidad ya que las colisiones con otros planetesimales se realizan en velocidades relativas más bajas (debido a cómo dos órbitas similares tienen una diferencia en períodos que se hacen más grandes cuando te acercas al Sol y, por lo tanto, velocidades relativas más grandes). Esto se combinó con las interacciones gravitacionales de los protoplanetas y el disco temprano (ver migración planetaria y modelo agradableetc ...) permiten diferentes tasas de acreción y la acreción de materiales de diferente composición de lo que se encontró en el lugar original de formación de un planetesimal particular. Esto también ayuda a mantener una amplia variedad de masas planetarias.
Una amplia variedad de masas planetarias es el punto de partida para una mayor variación a medida que los planetas evolucionan en el tiempo y divergen de sus condiciones iniciales. Un pequeño planeta rocoso (Mercurio) podría tener menos calor atrapado dentro que uno más grande (la Tierra), debido a la menor energía liberada por las tasas de acreción más pequeñas. Por lo tanto, puede enfriarse rápidamente y no puede ocurrir una magnetosfera debido a un interior derretido. La ausencia de una magnetosfera permite que las partículas cargadas por el viento solar erosionen su atmósfera al pulverizar. En cambio, en un planeta como la Tierra, la masa más grande ha conducido a un interior derretido que a su vez generó una magnetosfera que duró miles de millones de años, en Marte duró un tiempo, pero ahora casi se ha ido, por lo que la atmósfera también ha sido casi destruida. En la Tierra, la presencia de una atmósfera conduce a todo tipo de erosiones químicas y fenómenos. Además, su interior fundido junto con los detalles de su composición química y el grosor de la corteza permiten un mecanismo llamado tectónica de placas. La tectónica no puede suceder en Venus porque la corteza no es tan gruesa (debido a una composición diferente) y, por lo tanto, no se rompe en placas, sino que simplemente se deforma y se pliega en un comportamiento complejo que es exclusivo de Venus.
También las colisiones con planetessimals pueden alterar la evolución futura de planetas similares. Venus probablemente era muy similar a la Tierra (masa similar, composición muy similar y temperaturas no tan diferentes como se podría pensar) pero sus caminos divergieron por completo cuando la tectónica en la Tierra recicló la litosfera y en Venus el dióxido de carbono quedó más atrapado en un efecto invernadero, y debido a que la Tierra tuvo una colisión con otro planeta que nos tiene nuestra Luna, que es un estabilizador mecánico, mientras que una colisión aleatoria con venus (con diferentes parámetros de impacto) condujo a una rotación extremadamente lenta y largos días (pero sin lunas). Los días más largos significan un aislamiento diferente, y eso cambia drásticamente el clima de un planeta. En Marte, los días son similares a los de la Tierra, pero dado que es más pequeño y la atmósfera se ha ido, muchas cosas son muy diferentes de la Tierra. También,
Para ver cuán diferente puede ser la evolución de dos objetos planetarios simplemente haciéndoles una masa diferente, eche un vistazo a nuestra Luna. Tiene la misma composición química (de hecho, es un fragmento de la Tierra), está básicamente a la misma distancia del Sol que la Tierra, vive en el mismo entorno interplanetario (misma radiación solar, viento solar, tasas de impacto, etc.) .), y aún así es completamente diferente. ¡Todo esto se debe a la masa! La luna no puede retener una atmósfera grande como la Tierra porque tiene menos atracción gravitacional. La misma temperatura para nuestra atmósfera significa que las partículas alcanzan la velocidad de escape fácilmente y comienzan a escapar de la gravedad. Sin atmósfera, sin calor interno, la luna carece de casi cualquier tipo de erosión en miles de millones de años de evolución. Los procesos de erosión en la Tierra han hecho explotar la diversidad de formaciones geológicas en comparación con las que se encuentran en la Luna. Incluso entonces la luna tiene sus propias peculiaridades y características dinámicas únicas.
Ahora nos estamos acercando a la pregunta de los satélites. De hecho, deberían verse casi iguales, ya que están formados por material muy muy similar en condiciones extremadamente similares. Y, de hecho, creemos que las lunas originalmente eran muy similares (por ejemplo, las 4 lunas galileanas). Pero Io está cerca de Júpiter y las otras lunas interactúan con él de tal manera que los procesos geológicos son completamente diferentes. El agua y los volátiles se evaporaron rápidamente a medida que se calentaba por las fuerzas de marea de Júpiter. Estas fuerzas de marea no fueron tan fuertes en Europa ya que está más lejos, por lo que solo derritió parte de la corteza helada de creatina, un análogo de hielo de la tectónica de placas que generó una plétora de diversas formaciones. Los satélites evolucionan. Encelado dispara chorros debido a las interacciones de las mareas y las resonancias orbitales con otras lunas. Algunas lunas como Japeto tienen una superficie de doble color debido al material rociado por enceladus que aterriza en uno de sus lados. Algunas lunas como Tritón no tienen nada que ver con la otra porque se formaron en otra región del Sistema solar y luego quedaron atrapadas por la atracción gravitacional de un planeta (Neptuno en este caso).
Como he mencionado antes. Las atmósferas (densidad, composición y presión) dependen en gran medida de la masa del planeta o la luna. Mira este gráfico:
Muestra la velocidad de las moléculas de gas en relación con la temperatura del gas. Para temperaturas más grandes, las moléculas de gas se mueven más rápido. En un planeta con baja masa, la velocidad de escape es menor que la de una masa más grande. Por lo tanto, un planeta más cercano al sol (a una temperatura más alta) debe ser de mayor tamaño si quiere preservar las mismas moléculas de gas en su atmósfera que un planeta que está más lejos (más frío). Puede ver por qué la atmósfera de la Tierra podría atrapar y retener agua, oxígeno, dióxido de carbono, amoníaco, nitrógeno metano y otros gases mientras no puede atrapar hidrógeno y helio (porque son más livianos y, por lo tanto, a la misma temperatura pueden moverse tan rápido como sea posible). necesario para escapar de la Tierra). Mientras tanto, la Luna, que tiene el mismo calor proveniente del Sol que la Tierra, ya que es menos masiva, no puede retener casi ningún gas (quizás un poco de Xenón). Titán, es una luna enorme, por lo que puede retener muchas moléculas gaseosas como Nitrógeno y Oxígeno (que a su vez hacen que la presión sea lo suficientemente alta como para retener también volátiles como el metano en forma líquida en la superficie). Pero, ¿por qué Ganímedes no tiene la misma atmósfera que Titán si son básicamente del mismo tamaño? Debido a que Ganímedes está más cerca del Sol, una temperatura mayor significa que las moléculas se mueven más rápido y, por lo tanto, escapan fácilmente de su atracción.
Como puede ver, los complejos procesos de las atmósferas de una luna o un planeta cambian todo (erosión, procesos de reciclaje, corrosión química, etc.) y, a su vez, esa diversidad en las atmósferas proviene de una diversidad de masas y distancias al Sol.
Creo que el Sistema Solar es un sistema caótico, dinámico, geológico, químico, etc. El caos significa que, por una pequeña diferencia en las condiciones iniciales, el sistema evolucionará en diferentes estados exponencialmente divergentes. Los planetas y las lunas pueden haber comenzado como objetos similares, pero la historia y la dinámica caótica del sistema han evolucionado a entornos completamente diferentes. No solo eso, sino que la verdad es que los planetas no comenzaron como iguales sino que fueron muy diferentes al principio, así que imagínense qué tan lejos está Venus para convertirse en un Titán, o un Io para convertirse en una Tierra.
También hay procesos y condiciones que son especialmente adecuados para la divergencia. Por ejemplo: la Tierra es muy dinámica, mientras que Marte, Venus, Mercurio, la Luna y otros no lo son totalmente. ¿Por qué? porque en la Tierra el agua puede existir en 3 estados diferentes de la materia. Podemos encontrar agua líquida, vapor de agua y hielo en diferentes regiones y estaciones. Y eso se debe a que la Tierra está a una temperatura promedio y su atmósfera tiene la presión adecuada para permitir esto. Las condiciones de la Tierra están muy cerca del punto triple del agua (donde los tres estados de la materia son coherentes), es por eso que tenemos un ciclo del agua en la Tierra, con ríos y glaciares que erosionan el paisaje y las nubes regulan el clima.
Marte, Venus, Mercurio, todos tienen temperaturas y presiones donde esto no puede suceder, no solo en el agua sino en muchos compuestos presentes allí. ¿Sabes dónde puede pasar esto? ¡En Plutón! Esto fue muy sorprendente, Plutón muestra una variedad de terrenos y características geológicas que supera todas las expectativas. Ahora sabemos que esto se debe a que Plutón es extremadamente dinámico (como la Tierra) y puede ocurrir una gran cantidad de erosión y procesos geoquímicos, pero esto no se debe al agua (ya que Plutón tiene baja presión y bajas temperaturas), sino a causa de Nitrógeno y ¡Neón! Ambos elementos tienen su triple punto dentro del rango de condiciones de Plutón y, por lo tanto, se esperan ríos de neón, glaciares de nitrógeno y peligros en este planeta enano.
De hecho, es una pregunta interesante. Qué increíbles son las leyes de la naturaleza que permiten una variedad extrema incluso entre hermanos. Me pregunto cómo podría ser un planeta alrededor de cualquier otra estrella, nuestras categorías simplistas de júpiter caliente, mini-neptunes, super-terras, etc. son tan primitivas y restrictivas. Lo que nos espera en este complejo y diverso cosmos está más allá de nuestra comprensión.