¿Cuál es el destino a largo plazo de los gigantes gaseosos?

Si no me equivoco, se cree que la razón de un clima tan turbulento en los 4 planetas gigantes de gas exteriores es que la presión interna es tan grande que genera calor, lo que provoca convección, lo que provoca un clima extremo.

¿Estos planetas generarán calor para siempre, o en algún momento se congelarán?

¿Cómo será Júpiter dentro de un billón de años a partir de ahora?

gas-giants

— Escocés
fuente

Por favor, no use palabras como "trillón" ya que son confusas. No transmite el mismo sentido en en.wikipedia.org/wiki/Long_and_short_scales. Utilice palabras científicas claras como Gigayears.

— Envite

1 billón de años = 1000 Gigayears.

— Rob Jeffries

Respuestas:

La escala de tiempo en que Júpiter se enfría es razonablemente bien entendida y predicha por la generación actual de modelos evolutivos.

La luminosidad de Júpiter es proporcionada principalmente por la contracción gravitacional. Para un planeta que solo contiene gas gobernado por la ley de gas perfecta, la escala de tiempo Kelvin Helmholtz proporciona la escala de tiempo apropiada para esta contracción (o, de hecho, para que la luminosidad disminuya significativamente). donde y son la masa y el radio de Júpiter y es su potencia de salida actual (o luminosidad), y el parámetro . Este plazo es de unos años.

τ = η \frac{G M^{2}}{R L},

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

M

$M$

R

$R$

L

$L$

η \sim 1

$\eta \sim 1$

10^{11}

$10^{11}$

Sin embargo, los planetas gigantes como Júpiter no se rigen por leyes de gases perfectos. El gas en el centro de Júpiter es lo suficientemente denso como para que los electrones se degeneren. Los electrones degenerados llenan los niveles de energía disponibles hasta la energía de Fermi. Su consecuente momento distinto de cero de los electrones ejerce una presión de degeneración que es independiente de la temperatura . Como resultado, la tasa de contracción disminuye y la liberación de energía potencial gravitacional disminuye; El planeta puede enfriarse y permanecer en equilibrio hidrostático sin el mismo grado de contracción.

Uno puede expresar este cambio usando el parámetro . Para Júpiter ( Guillot & Gautier 2014 ), es decir, la escala de tiempo para que la luminosidad se desvanezca es 30 veces más rápida que el tiempo ingenuo de Kelvin-Helmholtz y la luminosidad de Júpiter se escalará como el recíproco de su edad y caerá por un factor de unos pocos en años. En un billón de años, la luminosidad de Júpiter será más baja de lo que es ahora en aproximadamente un factor de 250. $\eta$ $\eta \simeq 0.03$ $10^{10}$

— Rob Jeffries
fuente

Por lo que sé, el calor se generó principalmente cuando se crean los gigantes gaseosos. Algo de esto fue por la fricción causada por la presión interna. Sin embargo, este calor ya no se genera, ya que solo se generó cuando la materia cayó al planeta.

Presumiblemente generan calor a partir de elementos radiactivos en el núcleo (aunque nadie ha estado inactivo y verificado si hay alguno: P), y también recibirán un "impulso" del calentamiento solar.

Con el tiempo, sin embargo, cada fuente de calor disminuirá. El calor latente desde el nacimiento se disipará en el espacio en forma de radiación, los elementos radiactivos se descompondrán y la estrella que está orbitando morirá.

Así que supongo que Júpiter ya no tendrá su clima dramático en un billón de años.

— Superdavo
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Siempre había aprendido que el calor del Sol no era lo suficientemente poderoso como para provocar el clima extremo en estos gigantes gaseosos, y que debe haber alguna otra fuente de calor. La teoría principal era que la presión extrema en el núcleo estaba generando suficiente calor para causar esto. Pero si entiendo lo que estás diciendo, ¿ya no está generando calor, sino simplemente sobrante de la génesis del planeta?

— Scottie

No lo creo, ya que de lo contrario sería capaz de generar calor para siempre, lo que lo convertiría en una fuente infinita de energía. Sin embargo, la energía residual en un gigante gaseoso es bastante extrema y debería durar mucho tiempo. Es una situación similar a la de una estrella enana blanca, que eventualmente se convertirá en una enana negra muerta.

— Superdavo

Júpiter puede generar su propio calor a través del proceso Kelvin-Helmholtz: a medida que irradia calor, se contrae, convirtiendo así el potencial gravitacional en térmico. La capacidad calorífica negativa es característica de los sistemas unidos gravitacionalmente. La luminosidad intrínseca joviana actual es

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

$L_\text{J} = 8.7\times 10^{-10}$ , entonces la escala de tiempo térmica es

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

$\tau_\text{KH}\sim\frac{GM^2}{RL_\text{J}}\sim 10^{11}\,\mathrm{yr}\text{.}$ Utilizamos el valor presente , por lo que las indicaciones del futuro a largo plazo son inciertas. ¡Pero el punto es que no es obvio que uno pueda descartar la generación interna de calor tan rápido!

— Stan Liou

@StanLiou La escala de tiempo de Kelvin Helmholtz no se puede aplicar a un objeto que esté soportado por la presión degeneración (parcial). La tasa de contracción de Júpiter se está desacelerando y dejará de generar energía a través de la contracción y se enfriará a un radio casi constante, respaldado por la presión de degeneración.

— Rob Jeffries

@RobJeffries Sí, por eso dije que no está claro en qué medida las condiciones actuales son indicativas del futuro real a largo plazo de Júpiter. Sin embargo, el punto es que descartar la generación interna de calor sin un análisis más profundo como si fuera simplemente obvio es inapropiado.

— Stan Liou

En "un billón" de años, el destino de Júpiter se verá afectado por lo violento que se vuelve nuestro Sol cuando se transforma en Gigante Rojo, 5000 millones de años (5Gy) a partir de ahora.

Con nuestro Sol tan grande y brillante, calentará a Júpiter mucho más que ahora. Pero también la pérdida de masa hará que Júpiter salga en espiral hacia una órbita más grande, mientras captura algo de masa extra.

Entonces, en "un billón" de años, Júpiter será un planeta más grande, más frío y más denso (como lo señaló Rob Jeffries en su respuesta), un planeta más externo alrededor de una enana blanca.

— Envidia
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Este es un punto interesante. Pero, creo que después de un billón (1E12) de años, lo que sucedió en los primeros 10 mil millones será en gran parte olvidado. es decir, la evolución posterior depende muy débilmente de las condiciones iniciales. A lo sumo "restablecerá el reloj a cero" cuando el Sol se convierta en un gigante.

— Rob Jeffries