Astronomie

Comment les éléments les plus légers se sont-ils retrouvés au centre du système solaire ? Formation du système solaire

Comment les éléments les plus légers se sont-ils retrouvés au centre du système solaire ? Formation du système solaire

La génération précédente d'étoiles est connue pour être à l'origine de tous les éléments les plus lourds (jusqu'au fer ?) du système solaire. Ainsi, une grande partie de la masse du système solaire est en fait constituée de carbone, de silicium, de fer et autres à cause de cela. Mais au centre, et seulement au centre, il y a une étoile avec probablement presque aucun élément lourd à l'intérieur. Comment cela peut-il être ? Est-ce que je me trompe sur les concentrations de masse réelles ou y a-t-il vraiment un déséquilibre, c'est-à-dire la distribution des éléments est-elle vraiment plus légère vers le centre du système solaire ? Je suppose que la génération d'étoiles précédente vient de se terminer par un nuage de débris plus ou moins uniforme, à partir duquel le système solaire s'est formé. Mais si c'est le cas, pourquoi n'y a-t-il pas de systèmes stellaires où l'étoile a une composition très différente et est une sorte de machine à fusion sale et crépitante (métaphoriquement, je veux dire) ?


Le système solaire contient très peu d'éléments plus lourds que l'hélium - moins de 2% en masse.

Cela se reflète dans les abondances chimiques mesurées dans la photosphère du Soleil. c'est-à-dire que le Soleil contient des éléments plus lourds.

Votre question est à l'envers ; ce n'est pas que les éléments les plus lourds ne se soient pas enfoncés au milieu, c'est que la grande majorité de l'hydrogène et de l'hélium qui se trouvaient au même endroit que les planètes lorsqu'elles se sont formées, n'a pas fini par faire partie des planètes. En fait, même cela n'est que partiellement vrai. La masse de matière planétaire dans le système solaire est également dominée par l'hydrogène et l'hélium dans les géantes gazeuses.

L'énigme est donc seulement de savoir pourquoi les petites planètes n'ont pas une composition similaire à celle du Soleil. La réponse à cela est la température et la gravité. Une petite planète chaude n'a tout simplement pas la gravité pour retenir les atomes d'hydrogène et d'hélium en mouvement rapide, à moins qu'ils ne soient piégés dans un composé (comme l'eau !).

Ainsi, les petites planètes proches du Soleil sont appauvries en éléments légers.


Vers la fin du cycle de vie d'une étoile, l'étoile perd la capacité de continuer à utiliser de l'hydrogène, etc.). Pour s'alimenter, il commence à (dans une tentative désespérée de vivre.) Créer des éléments plus lourds tels que le fer. Or, le fer ne peut certainement pas soutenir une étoile.

Ainsi le fer détruit l'étoile, marquant ainsi la fin de son cycle de vie.

De petites quantités de fer existent probablement dans les étoiles (du point de vue de l'univers.) Mais ce n'est pas suffisant pour réellement affecter l'étoile dans laquelle elle se trouve.

Le fer n'est bien sûr pas la seule chose formée par les étoiles qui finit par tuer l'étoile, je l'utilise juste comme exemple ici.

Néanmoins, les étoiles sont assez intéressantes, comme n'importe quoi d'autre dans l'espace.

P.S. Ceci est juste ma compréhension de base de l'espace, et j'apprends beaucoup sur ce site.

Bonne journée/nuit.


Comment notre système solaire se terminera dans un avenir lointain

La Terre gèlera un jour une fois le Soleil mort, mais ce n'est que le début. Crédit image : Kévin. [+] Gill sous cc-by-2.0, via https://www.flickr.com/photos/kevinmgill/14326057397.

Il a fallu 13,8 milliards d'années d'évolution cosmique pour nous amener ici. Des générations d'étoiles ont dû vivre et mourir pour créer les éléments lourds, les petites proto-galaxies ont dû fusionner pour créer la Voie lactée. sur l'un de ces mondes nouvellement formés, l'évolution biologique - et les catastrophes naturelles - ont suivi un chemin très particulier, aboutissant finalement à l'émergence des êtres humains il y a quelques centaines de milliers d'années. Au cours des 12 000 dernières années environ, nous avons développé l'agriculture, la science, les nations et toute la civilisation moderne telle que nous la connaissons aujourd'hui. C'est un voyage remarquable qui a transformé notre monde et, grâce au programme spatial de l'humanité, a également transformé notre système solaire.

Les humains envoient des robots et des sondes sans équipage atterrir sur des mondes au-delà du nôtre depuis 50 ans. [+] maintenant. Le système solaire n'a jamais été le même. Crédit images : NASA et Roel van der Hoorn.

Mais le monde dont nous profitons aujourd'hui, quoi que nous fassions, ne durera pas éternellement. Un certain nombre d'événements terrestres vont se produire qui changeront les choses sur notre monde, bien sûr, rendant la Terre difficilement reconnaissable pour quelqu'un de vivant aujourd'hui. Après environ 60 000 ans, le Soleil et les étoiles se seront suffisamment déplacés pour que les constellations actuelles soient brouillées et très différentes de la façon dont nous les voyons aujourd'hui. 100 000 ans plus tard, nous envisageons probablement la prochaine ère glaciaire, grâce à des facteurs qui n'ont rien à voir avec l'influence humaine. Et avant la fin du prochain million d'années, le supervolcan de Yellowstone explosera probablement, modifiant à jamais le paysage de la Terre.

Mais tout cela n'est que des cacahuètes par rapport à ce que l'Univers nous réserve.

Différentes images d'une simulation de la fusion des galaxies Voie Lactée et Andromède. Image. [+] crédit : NASA, ESA, Z. Levay, R. van der Marel, T. Hallas et A. Mellinger.

À partir d'un peu moins de quatre milliards d'années, la galaxie d'Andromède (et très probablement la plus petite galaxie du triangle) fusionnera avec notre propre Voie lactée, provoquant un changement spectaculaire de la structure de notre galaxie et du ciel nocturne en général. Actuellement à 2,5 millions d'années-lumière mais se déplaçant vers nous à 43 km/sec, nos meilleures simulations indiquent que la première collision et sursaut de formation d'étoiles (panneau 4, ci-dessus) se produira dans 3,8 milliards d'années, et que la fusion sera complète (panneau 8) après 5,5 milliards d'années. La gravitation fera finalement fusionner l'ensemble du groupe local avec nous, formant une galaxie elliptique géante : Milkdromeda, dont notre système solaire fera toujours partie. Sur des échelles cosmiques plus grandes, toutes les autres galaxies continueront à accélérer loin de nous, finalement - après peut-être 100 milliards d'années - s'éloigneront complètement de notre vue.

Mais notre système solaire restera intact à travers tout cela, même s'il ne ressemblera pas tout à fait à ce qu'il est aujourd'hui. Le Soleil continuera à devenir plus chaud à mesure qu'il vieillira, faisant bouillir nos océans dans environ 1 à 2 milliards d'années et mettant fin à la vie sur Terre telle que nous la connaissons. Finalement, environ 5 à 7 milliards d'années plus tard, nous manquerons de combustible nucléaire dans le noyau du Soleil, ce qui fera que notre étoile mère deviendra une géante rouge, engloutissant Mercure et Vénus dans le processus. En raison des particularités de l'évolution stellaire, le système Terre/Lune sera probablement poussé vers l'extérieur et sera épargné par le sort ardent de nos voisins intérieurs.

La Terre, si les calculs sont corrects, ne devrait pas être engloutie par le Soleil lorsqu'elle gonfle dans un rouge. [+] géant. Il devrait cependant devenir très, très chaud. Crédit d'image : Fsgregs, utilisateur de Wikimedia Commons.

Après avoir brûlé son combustible nucléaire restant - principalement l'hélium dans son noyau - le Soleil expulse ses couches externes pour former une nébuleuse planétaire, et le noyau de notre étoile se contractera pour devenir une naine blanche. C'est le sort éventuel de presque toutes les étoiles de notre Univers. Mais les planètes seront toujours là, en orbite autour de notre reste stellaire froid et sombre, et ce processus se terminera dans environ 9,5 milliards d'années à partir d'aujourd'hui.

Lorsque le Soleil sera complètement à court de combustible nucléaire, il soufflera ses couches externes dans un . [+] nébuleuse planétaire, tandis que le centre se contracte en une étoile naine blanche chaude et compacte. Crédit image : Vicent Peris, José Luis Lamadrid, Jack Harvey, Steve Mazlin, Ana Guijarro.

Pendant tout ce temps, cependant, la Terre continue d'orbiter autour du Soleil tandis que la Lune continue de tirer gravitationnellement sur elle, ce qui provoque un couple, ce que vous obtenez lorsque vous appliquez une force externe à un objet en rotation. Cela amène la Lune à s'éloigner de la Terre tout en ralentissant la rotation de la Terre ! Le ralentissement est presque imperceptible, la rotation de la Terre ralentit (et donc le jour s'allonge) de seulement 1,4 milliseconde par siècle, mais nous avons le temps. Après environ 50 milliards d'années, la période orbitale de la Lune ressemblera davantage à 47 jours (par rapport aux 27,3 jours actuels), et notre journée de 24 heures aura ralenti pour correspondre : il faudra 47 jours d'aujourd'hui pour faire juste un jour le jour de la Terre de 50 milliards d'années dans le futur. À ce stade, la Lune et la Terre seront verrouillées en fonction de la marée, de sorte que la Terre et la Lune apparaissent toujours exactement dans la même position dans le ciel de l'autre.

Alors que la Lune est déjà verrouillée par marée sur la Terre, notre planète continue de tourner. Ce n'est que lorsque le . [+] Le couple de la Lune ralentit la Terre pour se verrouiller sur la Lune, poussant la Lune plus loin, serons-nous vraiment verrouillés. Crédit image : Dang, c'est cool ! via http://dangthatscool.wordpress.com/.

Alors que la formation d'étoiles se poursuivra, les étoiles mourantes prêteront leur carburant à l'espace interstellaire et les étoiles défaillantes s'emboîteront et fusionneront, la quantité de matière pour fabriquer les étoiles est limitée. Même les étoiles les plus anciennes ne dureront qu'environ 100 000 milliards d'années (10^14 ans), et après environ un quadrillion (10^15) d'années, la formation d'étoiles cessera complètement. Seules les collisions ou les fusions occasionnelles entre des étoiles défaillantes ou des restes stellaires fourniront de la lumière à notre galaxie, alors que les derniers restes stellaires se refroidissent et s'effacent dans l'obscurité. Finalement, les étoiles naines blanches deviendront noires, en refroidissant et en irradiant leur énergie. Cela prendra très longtemps : peut-être 10^16 ans selon mes estimations (bien que votre kilométrage puisse varier), ou environ un million de fois l'âge actuel de l'Univers. Les atomes seront toujours là, mais ils seront à quelques degrés au-dessus du zéro absolu. À ce stade, tout le ciel nocturne sera vraiment sombre et noir, sans aucune lumière visible, car toutes les étoiles de notre groupe local se seront éteintes.

Inspirer, fusionner ou entrer en collision avec une autre étoile brûlée peut être la dernière chance de notre Soleil. [+] briller. Crédit image : Tod Strohmayer/CXC/NASA et Dana Berry/CXC.

Vous vous demandez peut-être combien de temps il faudra à notre naine noire qui était autrefois notre Soleil pour en rencontrer une autre, la fusionner et la revitaliser potentiellement. Entre nous, Andromède, et le reste du groupe local, il y aura quelque mille milliards d'étoiles et de restes stellaires qui voleront autour. Dans ce système chaotique, un système stellaire typique peut durer très, très longtemps sans entrer en collision avec quoi que ce soit d'autre, mais nous avons toutes sortes de temps. Après environ 10^21 ans, la naine désormais noire au centre de notre système solaire entrera en collision aléatoire avec une autre naine noire, produisant une explosion de supernova de type Ia et détruisant efficacement ce qui reste de notre système solaire.

Notre Soleil ne mourra pas tout de suite dans une supernova, mais s'il entre en collision ou fusionne avec un autre . [+] naine noire dans un futur lointain, une supernova de type Ia sera notre destin après tout. Crédit image : NASA, ESA, Zolt Levay (STScI).

Ce sera le sort éventuel de nombreuses stars de notre groupe local, mais pas tous, et probablement pas le nôtre ! Il existe un autre processus concurrent qui est plus efficace, et donc plus susceptible de nous arriver : l'éjection gravitationnelle du groupe local en raison d'un processus appelé relaxation violente ! Lorsqu'il y a plusieurs corps sur une orbite gravitationnellement chaotique, l'un d'entre eux sera parfois éjecté, laissant le reste encore plus étroitement lié. C'est ce qui se passe dans les amas globulaires au fil du temps, et explique à la fois pourquoi ils sont si compacts et aussi pourquoi il y a tant de traînards bleus - ou d'étoiles plus anciennes qui ont fusionné - au cœur de ces anciennes reliques !

Les étoiles à l'intérieur d'un amas globulaire sont étroitement liées au centre et fusionnent fréquemment, mais sur le . [+] en périphérie, les étoiles éjectées sont fréquentes grâce à la détente violente. Crédit image : M. Shara, R.A. Safer, M. Livio, WFPC2, HST, NASA.

L'éjection gravitationnelle est environ 100 fois plus probable qu'une fusion aléatoire, ce qui signifie que notre étoile et les planètes liées restantes seront probablement éjectées dans l'abîme de l'espace désormais vide après environ 10^19 ans. Mais même à cela, avec la Terre en orbite autour de notre reste stellaire et sans rien d'autre autour, les choses ne dureront pas éternellement. Chaque orbite - même les orbites gravitationnelles en relativité générale - se désintégrera très, très lentement au fil du temps. Cela pourrait prendre un temps exceptionnellement long, environ 10^150 ans, mais finalement, la Terre (et toutes les planètes, après suffisamment de temps) verront leurs orbites se désintégrer et se transformeront en spirale dans la masse centrale de notre système solaire. C'est notre destin si nous sommes éjectés.

Les effets du déplacement dans l'espace-temps incurvé entraîneront la désintégration de l'orbite terrestre, . [+] en spirale vers le Soleil. Crédit image : American Physical Society.

Mais si nous restons dans la galaxie géante dans laquelle évolue Milkdromeda, la spirale dans le trou noir central de notre galaxie ne sera pas notre destin. Cela prendrait 10^200 ans pour que cela se produise, mais les trous noirs ne peuvent pas vivre aussi longtemps ! Grâce aux propriétés combinées de la relativité générale et de la physique quantique, les trous noirs vont perdre de la masse et s'évaporer avec le temps via un processus connu sous le nom de rayonnement de Hawking d'après son découvreur : Stephen Hawking. Cette désintégration radiative éliminera même les trous noirs les plus supermassifs de l'Univers après seulement 10^100 ans, et un trou noir de masse solaire dans un maigre 10^67 ans.

Après environ 10^100 ans, même les plus grands trous noirs supermassifs de l'Univers seront . [+] s'évaporent complètement à cause du rayonnement de Hawking. Crédit image : NASA.

Après la désintégration du trou noir, il ne restera que de la matière noire, ce qui signifie que la Terre se transformera en une naine noire qui était autrefois notre Soleil après tout. La seule chose qui peut l'éviter, c'est si une collision ou une interaction gravitationnelle rapprochée fait sortir la Terre de l'orbite de notre Soleil, nous libérant pour être libérés dans les profondeurs de l'espace vide. Peu importe combien de fois notre monde se termine dans le feu, notre destin ultime est de geler dans un Univers froid et vide. Tout cela, aussi, passera.


Comment s'est formé le système solaire ? Un guide pour débutants

La théorie largement acceptée sur la formation du système solaire est l'hypothèse nébulaire, qui affirme qu'il a été formé par l'effondrement gravitationnel d'un nuage géant massif appelé la nébuleuse solaire.

La théorie largement acceptée sur la formation du système solaire est l'hypothèse nébulaire, qui affirme qu'il a été formé par l'effondrement gravitationnel d'un nuage géant massif appelé la nébuleuse solaire.

Fait rapide !

La masse du soleil représente 99,86% de la masse totale du système solaire. Quatre-vingt-dix-neuf pour cent de la masse restante de 0,14% est constituée de Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. En raison de sa grande masse, le soleil est capable d'exercer une attraction gravitationnelle sur le reste des corps du système solaire.

Le système solaire est une collection de corps célestes comprenant une étoile, avec des planètes et d'autres objets en orbite autour d'elle. Notre système solaire se compose du Soleil qui est en orbite autour de 8 planètes (y compris notre propre Terre) et de nombreux autres objets comme des lunes (qui gravitent autour des planètes), des astéroïdes et des météores. Plusieurs corps célestes comme le Soleil, la Lune, Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne sont visibles à l'œil nu, tandis que le reste des planètes est visible à travers des télescopes. Il existe également divers astéroïdes brillants, comètes et météores qui sont visibles.

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Le Soleil est le membre le plus important du système solaire car il fournit la majeure partie de la lumière, de la chaleur et d'autres énergies vitales à l'existence de la vie. Les huit planètes connues gravitent autour du Soleil sur des orbites légèrement ovales, dont les quatre premières planètes : Mercure, Vénus, la Terre et Mars sont des planètes rocheuses, tandis que les quatre suivantes : Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune sont des planètes gazeuses. Pluton était la neuvième planète plus tôt et comme elle est de très petite taille, les scientifiques du monde entier l'ont rétrogradée collectivement. Par conséquent, maintenant, il n'est plus considéré comme une planète.

Formation du système solaire

En analysant la désintégration radioactive des éléments radioactifs dans les météorites, les astronomes ont dit que l'origine du système solaire remonte à 4,6 milliards d'années. C'est alors qu'un effondrement gravitationnel d'une petite partie d'un nuage moléculaire géant s'est produit. Ceci est connu comme Hypothèse nébulaire qui a été développé pour la première fois par Emanuel Swedenborg, Immanuel Kant et Pierre-Simon Laplace au 18ème siècle, et est une théorie largement acceptée à travers le monde. Cependant, cette théorie a été contestée et affinée après l'aube de l'ère spatiale et la découverte de planètes extra-solaires dans les années 1950 et 1990 respectivement.

▶ Théorie nébulaire de la formation du système solaire

Selon cette théorie nébulaire, le système solaire s'est formé à partir d'un nuage massif et tournant de poussière et de gaz appelé le Nébuleuse Solaire.

Il se trouve que la Nébuleuse Solaire a commencé à s'effondrer sous sa propre force gravitationnelle. Plusieurs scientifiques pensent que l'effondrement de ce nuage de gaz géant a été déclenché par une supernova (étoile qui explose) à proximité, entraînant la contraction de la nébuleuse. Au fur et à mesure que le nuage s'effondrait, la chaleur augmentait, provoquant la vaporisation des particules de poussière et la compression du nuage au centre.

Lorsque la nébuleuse s'est effondrée, un grand fragment s'est séparé d'elle pour former le système solaire. Le Soleil a émergé de la plus grande collection de masse au centre de la Nébuleuse. La pression au centre de la nébuleuse est devenue suffisamment élevée pour déclencher des réactions nucléaires qui pourraient alimenter le Soleil. Au fur et à mesure que la nébuleuse diminuait de taille, elle tournait de plus en plus vite et s'aplatissait en un disque. Par conséquent, la masse autour du Soleil s'est agrégée et a formé un disque autour de lui.

De plus, les particules à l'intérieur du disque aplati se sont heurtées les unes aux autres avec une fréquence accrue et se sont fusionnées, de manière à former des objets en forme d'astéroïde appelés planétésimaux. Certains de ces planétésimaux sont entrés en collision et se sont combinés pour former les planètes que nous connaissons aujourd'hui. Le reste des planétésimaux se sont combinés pour former des lunes, des météores, des comètes et des astéroïdes.

Au fur et à mesure des éruptions solaires, des vents solaires ont été créés. Ces vents étaient si puissants dans la nature qu'ils ont emporté la plupart des éléments plus légers tels que l'hélium et l'hydrogène du système solaire. Cependant, ces vents étaient plus faibles dans les régions extérieures, et les planètes extérieures se sont donc retrouvées avec une grande quantité d'hydrogène et d'hélium. Cela explique la nature gazeuse des planètes extérieures et la nature rocheuse contrastée des quatre planètes intérieures.

Les scientifiques pensent que les étoiles continuent de changer et ne restent pas constantes. Ils croient qu'au cours des 5 prochains milliards d'années, les couches externes du Soleil s'étendront, rendant le Soleil plus grand et plus chaud. L'expansion du Soleil le fera devenir une boule de feu rouge qui consommera toutes les planètes intérieures, y compris la Terre. Les scientifiques pensent également que après une période de 100 millions d'années, le Soleil perdra sa capacité à produire de l'énergie et deviendra une petite planète.

Ceinture de Kuiper

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C'est une partie du système solaire qui se trouve au-delà des planètes. La ceinture de Kuiper ressemble beaucoup à la ceinture d'astéroïdes et elle est formée de planétésimaux. Les planétésimaux sont essentiellement des fragments provenant du disque proto-planétaire. La ceinture de Kuiper est beaucoup plus grande et 20 fois plus large que la ceinture d'astéroïdes. Sa taille varie de 30 à 55 UA (1 UA = 92,956×10^6 miles). La planète Pluton fait partie de la ceinture de Kuiper.

▶ Théorie des nuages ​​interstellaires

Selon la théorie interstellaire, notre système solaire a été formé à partir d'un nuage interstellaire. L'événement important dans la formation du système solaire a été le passage du soleil à travers un nuage interstellaire. Cet événement a conduit le soleil à sortir du nuage enveloppé de gaz et de poussière. Les planètes du système solaire ont progressivement émergé de cette enveloppe de gaz et de poussière. Cette théorie a été proposée par Otto Schmidt, un astronome russe en 1944.

La théorie de la capture

Cette théorie a été proposée par Michael Mark Woolfson, un scientifique planétaire et physicien britannique, en 1964. Le système solaire s'est formé grâce à des interactions de marée qui ont eu lieu entre une protoétoile de faible densité et le soleil. L'attraction gravitationnelle du soleil a aidé à extraire le matériau de cette protoétoile à faible densité. Les planètes de notre système solaire se sont formées à partir du matériau tiré de la protoétoile. Selon la théorie de la capture, l'âge du soleil est différent de celui des planètes du système solaire.

L'« hypothèse nébulaire » mentionnée ci-dessus est la théorie la plus largement acceptée de la formation du système solaire. Cependant, elle n'a pas été acceptée comme la théorie ultime en raison de l'émergence de divers problèmes théoriques qui causent des difficultés à la concilier avec de nouvelles observations.


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CHAPITRE 1 : ORIGINE DES PLANÈTES & LE SYSTÈME SOLAIRE AUJOURD'HUI

1. Figure 1.3 : Le système solaire se compose du Soleil, de neuf planètes, de 61 lunes et d'une multitude d'astéroïdes, de comètes et de météorites.

2. Les orbites des planètes sont elliptiques autour du soleil

3. Les planètes tournent généralement dans la même direction autour du soleil et dans le plan de l'écliptique, à l'exception de Pluton, qui est incliné de 17 o par rapport à l'écliptique.

4. La plupart des lunes tournent autour des planètes dans la même direction que les planètes tournent autour du soleil.

5. Les météoroïdes, les astéroïdes et les comètes suivent également des orbites autour du soleil.

6. Les rotations des planètes, des lunes et d'autres corps sont héritées de la rotation de l'ancien nuage de gaz à partir duquel elles se sont formées.

Les planètes terrestres (rocheuses)

1. Le plus proche du soleil et composé de Mercure, Vénus, Terre et Mars.

2. Sont généralement de petits corps rocheux partageant de nombreuses similitudes et aussi des différences.

3. Densités supérieures à 3 g/cm 3 .

4. Composé principalement de silicates en plus de Fe et Ni.

5. Le volcanisme est en grande partie basaltique, une roche noire relativement riche en Mg, Si, O et Ca.

6. Les différences observées entre les planètes rocheuses reflètent des facteurs tels que la taille et la distance du Soleil plutôt que la composition. Cela nous dit que ces planètes rocheuses se sont formées plus ou moins à partir de matériaux similaires au début de l'histoire du système solaire.

Les planètes joviennes (gazeuses)

1. Se produisent au-delà de l'orbite de Mars et se composent de Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune et Pluton.

2. Généralement plus grandes que les planètes telluriques.

3. Densités inférieures à 3 g/cm 3 .

4. Chacun (à l'exception de Pluton) est constitué d'un noyau solide (probablement rocheux) entouré d'une atmosphère épaisse composée de méthane, d'ammoniac, d'hydrogène, d'hélium et d'autres gaz. Pluton n'a pas d'atmosphère épaisse et se compose plutôt d'un noyau solide avec une épaisse couche externe de glace.

5. La plupart des planètes joviennes ont plusieurs lunes.

6. La plupart des planètes joviennes ont des systèmes d'anneaux impressionnants composés de particules de la taille de la poussière à des rochers, principalement de glace.

Théories sur l'origine du système solaire

1. À la fin des années 1700, Buffon envisageait les planètes comme s'étant formées à partir du soleil. Il a suggéré que l'attraction gravitationnelle des comètes qui passaient avait tiré du soleil de la matière chaude et gazeuse. Ce matériau s'est ensuite refroidi et condensé pour former les planètes. Ainsi selon Buffon, le soleil était bien plus ancien que les planètes.

2. Une autre théorie ancienne appelait à la condensation (solidification) des planètes à partir d'un nuage gazeux chaud appelé la nébuleuse solaire plutôt que d'avoir les planètes dérivées du soleil lui-même.

3. Au début du 20e siècle, les scientifiques rejetaient généralement l'idée de condensation des planètes directement à partir d'un nuage de gaz chaud et préféraient plutôt l'hypothèse que les planètes et autres corps du système solaire se sont agrégés à partir de nuages ​​froids de poussière et de gaz. Selon ce modèle, les planètes se sont initialement formées comme des sphères froides résultant d'une lente accumulation de poussière et de gaz.

4. L'origine froide des planètes a été initialement avancée dans l'hypothèse planétésimale, développée au début du XXe siècle par Chamberlin (un géologue) et Moulton (un astronome). Selon ce modèle, l'attraction gravitationnelle d'une étoile qui passe aurait extrait des matériaux gazeux solaires du soleil. Ces matériaux gazeux ont ensuite entouré le soleil et ont commencé à condenser de petits corps solides de la taille d'astéroïdes (des dizaines à des centaines de kilomètres de diamètre) appelés planétésimaux. Ces planétésimaux se sont finalement agrégés pour former les premières planètes, qui ont ensuite continué à croître en attirant encore plus de particules.

5. Figure 1.6 : Une fois que les planètes froides en croissance sont devenues suffisamment grandes, l'attraction gravitationnelle a pris le relais. Les planètes ont finalement atteint une masse qui a provoqué un effondrement gravitationnel, entraînant un échauffement et un ramollissement internes, suivis de la séparation des différents matériaux en couches discrètes. Des matériaux plus denses ont coulé à l'intérieur de la planète tandis que des matériaux plus légers ont migré ou flotté à la surface.

1. Figure 1.2 : Une autre idée, appelée l'hypothèse nébulaire, a été avancée au milieu du XXe siècle par les astronomes von Weizacher et Kuiper. Dans l'hypothèse nébulaire, le soleil et les planètes se forment en même temps. Selon ce modèle, notre système solaire a commencé comme un gigantesque nuage interstellaire en forme de disque de gaz et de poussière il y a environ 5 ou 6 milliards d'années.

2. Il a été envisagé que la rotation lente de ce nuage interstellaire provoquait progressivement la concentration d'une grande partie de sa masse près du centre du disque. Cette masse centralisée a subi une compression supplémentaire par attraction gravitationnelle jusqu'à atteindre des températures de plusieurs millions de degrés provoquant le début des réactions thermonucléaires. Cette masse thermonucléaire centralisée est devenue le soleil primitif.

3. Figure 1.2 : Le soleil embryonnaire était entouré d'une enveloppe de gaz et de poussière appelée nébuleuse solaire. La turbulence au sein de la nébuleuse a d'abord provoqué la condensation des planétésimaux. Les planétésimaux froids, en plus de la poussière et des gaz, se sont alors rapidement heurtés et se sont agrégés pour former 9 ou 10 protoplanètes de composition similaire. Les lunes se sont peut-être formées de la même manière autour de leurs planètes hôtes ou ont peut-être été capturées plus tard ailleurs par l'attraction gravitationnelle de la planète. Les planétésimaux restants ont développé des orbites très elliptiques et ont finalement été jetés hors du système solaire interne par la gravité de Jupiter pour devenir des comètes.

4. Figure 1.6 : Le modèle d'accrétion homogène à froid indique qu'au fur et à mesure que les protoplanètes grandissaient, leurs champs gravitationnels progressivement plus forts ont balayé encore plus de matière du nuage de poussière jusqu'à ce qu'ils finissent par devenir de grands corps planétaires de composition homogène de taille encore plus grande qu'actuellement, mais de beaucoup densité plus faible. Les champs gravitationnels croissants ont finalement causé la contraction et la densité des grandes protoplanètes. Cette contraction a conduit à une différenciation où la plupart des éléments les plus lourds ont migré vers le centre des protoplanètes tandis que les éléments les plus légers se sont déplacés vers leurs surfaces. Une grande partie des gaz légers de H et He ont été perdus dans l'espace.

5. Les quatre planètes terrestres intérieures étaient relativement petites et avaient des champs gravitationnels plus faibles par rapport aux planètes gazeuses extérieures. Les planètes terrestres intérieures ont donc perdu beaucoup plus de leurs éléments plus légers que leurs homologues plus grandes.

6. Le rayonnement du soleil, ou vent solaire, a encore modifié la composition des planètes en soufflant tout gaz nébulaire restant vers la partie externe du système solaire.

7. Récemment, le modèle d'accrétion hétérogène à chaud a été examiné. Selon ce modèle, la zonation interne des planètes s'est développée pendant, et non après, l'accumulation d'accrétion. On pense que l'accrétion a commencé avec la nébuleuse solaire à une époque où les gaz étaient encore très chauds (> 1000 C). (A) Lorsque la nébuleuse a commencé à se refroidir, le Fe et le Ni primitifs se sont accumulés en premier pour former le noyau métallique de la planète. (B) Les silicates se sont accumulés plus tard autour du noyau formé plus tôt alors que les températures continuaient de baisser. (C) Enfin, le manteau s'est différencié pour former la croûte.

Figure 1.5 : Résumé des étapes proposées pour l'évolution précoce de la Terre.

Évolution chimique et thermique

1. La Terre primitive, il y a environ 4,5 milliards d'années, produisait jusqu'à cinq fois plus de chaleur radioactive qu'aujourd'hui.

Après l'accrétion, le réchauffement de la Terre primitive a été causé par :

(a) Échauffement initial dû à la contraction gravitationnelle qui peut avoir élevé la température du centre de la Terre de 1000 o C.

(b) Production de chaleur radioactive qui a augmenté la température de 2 000 C supplémentaires.

(c) Intense bombardement de météorites avant il y a 4 milliards d'années.

2. Figure 1.6b : Le réchauffement précoce de la terre peut avoir été si intense qu'il a fait fondre complètement la planète pendant une courte période.

3. Un noyau et un manteau distincts ont été créés il y a environ 4,5 milliards d'années lorsque la surface de la Terre était recouverte d'un immense océan de magma en fusion.

4. Même aujourd'hui, l'activité continue des volcans et des sources chaudes indique que la chaleur est toujours libérée de l'intérieur. On estime qu'en raison de l'isolation thermique fournie par la croûte et le manteau terrestres, l'intérieur n'est aujourd'hui qu'à mi-chemin de son histoire de refroidissement, même si une grande partie des éléments radioactifs se sont depuis longtemps désintégrés.

1. Figure 1.6b : Les preuves suggèrent que la croûte terrestre s'est différenciée (séparée) du manteau sous-jacent sur la base de sa composition chimique. Au cours de la différenciation du manteau, des éléments relativement légers tels que Si, O, Al, K, Na, Ca, C, N, H et He sont montés à la surface pour former la croûte, l'eau de mer et l'atmosphère ( figure 1.8 ).

2. La datation isotopique indique que la croûte continentale n'est devenue stable qu'il y a environ 3,9 à 4,1 milliards d'années, près d'un demi-milliard d'années après la formation du noyau et du manteau.

Origine et évolution de l'atmosphère et de l'eau de mer

Plusieurs hypothèses existent pour expliquer l'origine de l'atmosphère terrestre. Ils fonctionnent tous en partant du principe que :

(a) Figure 1.8 : Des quantités considérables d'hydrogène et d'hélium se sont échappées dans l'espace lors de la différenciation précoce de la Terre ( Figure 1.6b ). La majeure partie de l'hydrogène restant était enfermée dans l'eau.

(b) L'atmosphère primitive n'avait pratiquement pas d'O 2 moléculaire. L'oxygène abondant est venu beaucoup plus tard en raison d'une accumulation lente au cours du temps géologique.

(c) L'atmosphère primitive de la Terre ressemblait peut-être beaucoup à celle de Jupiter aujourd'hui et contenait des gaz similaires à ceux que l'on trouve aujourd'hui dans les météorites. Ces premiers gaz se composaient principalement de méthane, d'ammoniac et de vapeur d'eau.

L'hypothèse du dégazage

1. Figure 1.8 : En 1951, un géologue du nom de W.W. Rubey a favorisé la théorie selon laquelle la plupart des gaz de l'atmosphère primitive de la Terre provenaient de l'intérieur de la planète par transfert igné via les volcans et les sources chaudes. Ce processus est connu sous le nom de dégazage.

2. Les traces de He et d'Ar trouvées dans notre atmosphère actuelle représentent les produits filles de la désintégration U et K, respectivement.

3. En supposant la formation de l'atmosphère par le dégazage continu des volcans et des sources chaudes, nous pouvons raisonnablement expliquer tout le N, He, Ar et la vapeur d'eau présents dans l'atmosphère aujourd'hui. L'oxygène a une origine distincte en tant que produit de photosynthèse au cours de 2-3 milliards d'années.

Photochemical Dissociation Hypothesis

1. The Photochemical Dissociation Hypotheses assumes an early earth atmosphere much like that found on the planet Jupiter today which is dominated by methane, ammonia and water vapor.

2. According to this model, the early atmosphere of the earth was devoid of an ozone layer which today acts to filter out incoming ultraviolet radiation. Without an ozone layer in the early atmosphere, ultraviolet light was able to reach the earth’s surface and cause several reactions to take place within the primitive atmosphere.

Reactions of Ultraviolet Light with Primitive Earth Atmosphere:

(a) Dissociation of water vapor into hydrogen and oxygen with most hydrogen escaping into space: 2H 2 O + uv light = 2H 2 + O 2

(b) Newly formed molecular oxygen reacted with methane to form carbon dioxide and more water: CH 4 + 2O 2 = CO 2 +2H 2 O

(c) Oxygen also reacted with ammonia to form nitrogen and water: 4NH 3 + 3O 2 = 2N 2 + 6H 2 O

(d) After all the CH 4 and NH 3 were converted to CO 2 and N 2 , then excess O 2 could accumulate as more water vapor dissociated. Over time, our present atmosphere of N 2 , CO 2 and O 2 may have formed.

Oxygen from Photosynthesis

1. The early earth may have additionally contained a great deal of CO 2 in the primitive atmosphere.

2. The appearance of photosynthetic cyanobacteria about 3.5 billion years ago instigated the process of photosyntheses in which these early life forms extracted CO 2 from the atmosphere and released O 2 as a by-product. Over the course of hundreds of millions of years, O 2 slowly began to accumulate in the atmosphere.

1. The rate of seawater accumulation is directly tied to atmospheric production of water vapor following chemical differentiation of the earth. In other words, the outgassing hypothesis can also account for the accumulation of water on the earth’s surface.

2. The question remains, however, whether the atmosphere and oceans accumulated slowly at a more or less uniform rate or did they accumulate rapidly during the early stages of earth history?

3. Some suggest that intense early bombardment of the earth by icy comets may have contributed to the planet's supply of water and gasses, implying that the atmosphere and seawater formed early and rapidly.

4. On the other hand, if seawater accumulated slowly in a manner similar to the O 2 buildup by photosynthesis, then the earth's water supply may have been pretty well established by around 2.5 billion years ago.

1. The moon is a small, dense rocky object pock-marked by impact craters and numerous basalt flows.

2. Seismic measurements from seismometers placed on the moon by astronauts have determined that the moon is layered. The crust of the moon, where measured, is around 65 km thick. The moon is covered by a thin veneer of regolith (mixture of gray pulverized rock fragments and small dust particles) overlying a 2 km thick layer of shattered and broken rock. Below the broken-rock zone is about 23 km of basalt, followed by 40 km of feldspar-rich rock. The mantle composition is unknown but possibly similar to the Earth's mantle. The lithosphere is possibly as much as 1000 km thick and any asthenosphere would occur at deeper levels.

3. The Moon's surface includes light-colored mountainous areas called highlands , which are heavily cratered and primarily composed of plagioclase-rich rocks called anorthosite that formed early in the history of the moon (4.5 billion years ago).

4. The smooth, dark-colored lowland impact craters are called maria (singular mare ) which are nearly circular and filled with basaltic lava flows.

5. The moon probably formed 4.6 billion years ago. One theory states that the moon formed in its present orbit by accretion during condensation of the solar nebula. A second theory suggests that the moon was captured by the earth.

6. Figure 1.4 : The most widely accepted theory, however, is that the moon originated as a portion of the earth that was ejected during impact with a Mars-sized object about 4.5 billion years ago. The ejected material condensed to form the moon.

7. Intense meterorite impacts that occurred around 3.9 - 4.0 b.y. ago formed most of the craters seen on the moon today. Since that time, the Moon has remained a dead planet void of any tectonics or volcanism.

1. It's high density of 5.4 g/cm3 may be due to a large, metallic core about 3600 km in diameter.

2. Heavily pockmarked by ancient impact craters, many filled with basaltic flows.

3. Lacks an atmosphere and shows no evidence of tectonic activity (no evidence of moving lithospheric plates).

4. Mercury has a magnetic field about 1/100 as strong as that of the Earth. Planetary magnetic fields are typically formed by fluid motions in the core caused by rotation of the planet. Mercury's slow rotation (once every 59 days vs 24 hrs for earth) and lack of tectonic plate movements, however, pose problems with this interpretation.

1. Venus is about the same size and mass as Earth.

2. Thick atmosphere of CO 2 prevents direct visual observation of the planet’s surface and is largely responsible for surface temperatures of about 500 o due to the greenhouse effect.

3. Several spacecraft have landed on the surface and radioed back information from radar measurements of the surface topography. Spacecraft Magellan recently orbited Venus and has sent radar images back to earth.

4. Radar images show a surface consisting of broken rock fragments primarily basaltic in composition.

5. Vast volcanic plains and thousands of volcanoes shaped like broad domes, similar to those that occur today in Hawaii, dominate the surface. Several steeper-sided volcanoes indicate eruption of more Si-rich lava.

6. The topography also shows mountain ranges and rift valleys.

1. Mars is only 1/10 the size of earth and rotates once every 24.6 hours.

2. Mars has a thin atmosphere only 1/100 as dense as the Earth's and consists largely of CO 2 .

3. Mars has polar ice caps consisting mostly of CO 2 and small amounts of water ice. The ice caps grow and shrink with the seasons.

4. The composition of the Earth and Mars may be similar. Mars has a reddish-brown surface covered by loose stones and windblown sand. Two Viking spacecraft had landed on the martian surface during the 1970’s and analyzed the composition of the soils. Chemical analysis by the Viking spacecraft indicated clays and possibly gypsum, a mineral commonly precipitated from evaporating water.

5. The Viking spacecraft also monitored for earthquakes, but no earthquakes were recorded. The scarcity of earthquakes suggest that any former plate movements on Mars had now ceased.

6. Recently, the spacecraft Pathfinder landed on Mars and sent out its microrover, Sojourner, to study rocks on the surface. The rover found sedimentary and volcanic rocks much like what we have on earth.

7. Mars probably has a core that is completely solid since no magnetic field is apparent.

8. The SNC meteorites are considered martian in origin.

9. Recently, evidence of fossil bacteria were discovered in one of the martian meteorites, suggesting that simple life forms existed in the early martian crust.

10. The southern hemisphere is densly cratered and resembles the surfaces of the Moon and Mercury.

11. Craters are sparse in the northern hemisphere and large areas are relatively smooth, suggesting a younger surface. Huge shield volcanoes like Olympus Mons suggest extensive volcanism in the past. The youngest flows on Olympus Mons are probably less than 100 million years old. Long-lived sources of magma must still be present in the martian interior. Martian lithosphere also must be thick and strong in order to support the weight of Olympus Mons.

12. The martian surface also exhibits a system of huge canyons and branching valleys similar to those cut by intermittent desert streams on Earth. These features suggest that ice presently frozen beneath the surface may have melted during past warming episodes, creating torrential floods that carved these valleys.

13. Rain, lakes and streams may have existed early in martian history during a time of planetary differentiation and extensive volcanism. Mars eventually aquired a frozen regolith. Occasional melting of the frozen ground may have occurred during periods of magmatic activity or sudden changes in climate.

1. Jupiter is about twice the mass of the other planets combined.

2. Jupiter is unusual in that it gives off twice as much energy as it receives from the sun, suggesting that it is still undergoing gravitational contraction.

3. Jupiter has an atmosphere composed primarily of H 2 , He, NH 3 and CH 4 surrounding a rocky core.

4. Surface may be a giant ocean of liquid hydrogen.

5. Colored atmospheric bands produced by high-speed winds. Giant red spot (storm).

6. The moon closest to Jupiter is Io and is colored with shades of yellow and orange, suggesting that it is covered by sulfur and sulfurous compounds. Io is volcanically active. Volcanic products include basaltic lava as well as molten sulfur flows and sulfurous gases. Geyser-like volcanic plumes of SO 2 have been observed by the Voyager spacecraft. The heat energy which drives Io's volcanism may be caused by tidal stresses exerted by Jupiter's gravitational pull.

7. Europa, Ganymede and Callisto may have small metallic cores surrounded by thick mantles of ice and silicate minerals. Above the mantle are crusts of nearly pure ice in excess of 100 km thick. Europa is criss-crossed with fractures, suggesting that tidal stresses from Jupiter are manifested on the icy surface.

8. Ganymede (largest of Jupiter's moons) and Callisto have icy surfaces pitted by craters. Ganymede's surface contains dark areas covered by dust and impact debris, indicating ancient ice continents.

1. Saturn is known for its immense ring system.

2. The ring system is 10,000 km wide and a little over 100 m thick.

3. The Voyager spacecraft discovered that the major rings actually consist of hundreds of tiny ringlets.

4. Each ring is composed of dust- to boulder-sized particles consisting mostly of ice, some possibly stained with iron oxide. Color differences indicate slight compositional differences between the rings.

5. Saturn has an overall chemical composition similar to Jupiter.

6. Titan is the most distinctive among Saturn's moons. Titan is surrounded by an opaque, orange-colored atmosphere composed mostly of nitrogen with lesser amounts of ethane, acetylene, ethylene, and HCN. Titan may consist of 45% ice and 55% rocky matter. Surface temperature is estimated at around -180 o C, in which case Titan may consist of ice continents surrounded by an ocean of liquid ethane and methane.

2. Uranus has rings much like those encircling Jupiter.

3. Uranus has several moons, some with canyons while others are smooth.

1. Neptune is a bluish planet.

3. Neptune has visible white clouds of frozen methane.

4. Neptune has eight moons, six of which orbit in a direction opposite to the other two.

5. The largest of Neptune's moons is Tritan, which has a surface covered with solid nitrogen and methane.

1. Pluto is one-fifth the size of earth and 40 times farther from the sun.

2. Pluto is too small to be visible to the unaided eye.

3. It takes 248 years for Pluto to orbit the sun.

4. Pluto follows an elongated orbit, causing it at times to travel inside Neptune's orbit.

5. Pluto may possibly be a satellite of Neptune rather than a planet as originally thought.

6. Pluto is described as a dirty ice ball of frozen gases and rocky material.

7. Pluto has one moon, Charon, which is 1,300 km in diameter.

1. Asteroids are possibly fragments of broken planets.

2. Asteroids can reach 1,000 km in diameter, but most are only about 1 km or less across.

3. An extensive belt of asteroids occurs between the orbits of Mars and Jupiter.

4. Some asteroids have collided with the earth in the past.

1. Comets can be described as dirty snowballs of frozen gases in addition to rocky and metallic materials.

2. Some comets may contain organic material.

3. Comets develop a tail of dust and ionized gases when approaching the Sun due to the solar wind.

4. Millions of comets may orbit the Sun beyond Pluto.

5. Comets are thought to be relicts of the early Solar Nebula that were swept to the far reaches of the Solar System by the solar wind after formation of the planets.


Comments of the Week #2: From the Sun's death to the light elements

After all is said-and-done this week, and after all the new posts over at the main Starts With A Bang on Medium, you've had a chance to have your say here on our forum! And Kierkegaard would likely change his tune if everyone he came across left comments like yours.

From the end of the Sun's life to the light elements, let's take a look at your best comments this week!

From Ted Lawry concerning Ask Ethan #27: Will the Earth and Moon survive? -- "What about drag? The earth would be plowing through all that mass the sun is losing as solar wind?"

This is a reasonable thought as the Sun expands and gently blows off its outer layers, won't the Earth be plowing into that matter, the way a fast-moving car plows through rain?

In theory, there are two things we'll need to compare:

  1. The speed of the Earth as it moves in its orbit around the Sun.
  2. The speed of the matter being blown off from the Sun as it crosses Earth's orbit.

As it turns out, for the vast majority of the matter, it's not even close. On average, the Earth takes about 58 days to traverse the equivalent of the Earth-Sun distance, and on average, particles ejected from the Sun take about 3 days to reach the Earth. In other words, the Solar Wind travels more than ten times as fast as the Earth orbiting the Sun.

And so although the drag force exists, it's very small, and will likely help keep the Earth's orbit relatively circular as it spirals outwards, but won't play a significant role in causing the Earth's orbit to decay and inspiral. It's an important thing to consider, but quantitatively it won't be enough to cause the Sun to devour us.

From Robert H. Olley on Ask Ethan #27: Will the Earth and Moon survive? -- "You seem to be saying that red giant formation coincides with the onset of helium burning to carbon.
According to Jim Kaler of UIUC (one of America’s astronomy heavyweights) there’s a double process, first with hydrogen burning on a helium core and blowing up to an “ordinary” red giant. Then the helium core ignites, and the star contracts somewhat. This is followed by helium burning on a carbon-oxygen core, and the star becomes a bigger red giant.
See the following: http://stars.astro.illinois.edu/sow/star_intro.html#giantsfrom the short section “Giant stars” to “Bigger red giants and Miras”."

Stellar evolution has many stages, and I do my best to summarize what the important points are clearly and succinctly, and so does Jim Kaler, who's excellent at what he does and whom I respect tremendously. le full details of the stages our Sun will go through are summarized in the diagram below, and I'll walk you through it and try to clear things up.

When the Sun runs out of hydrogen it its core, it expands into a subgiant and starts burning hydrogen in a shell around the core. It continues to expand and expand as its surface temperature cools, a process taking many hundreds of millions of years, eventually crossing the threshold to becoming a true giant star, and finally the helium in its core ignites. (That's the "helium flash.")

The star remains a giant star for some time, changing colors to yellow and then back to red as the innermost core runs out of helium fuel but helium burning continues in a shell, blowing off its outermost layers most rapidly during this time. (Although, to be fair, it's blowing off its outermost layers continuously during this entire process.) Stellar evolution is a huge, nuanced process that comprises an entire sub-field of astronomy and astrophysics research, and I think Jim does an excellent job, but I don't think anything I said contradicted that. At least, I hope not!

From PJ concerning Messier Monday: A Spiral Sliver headed our way: M98 -- "when you say M98 is headed toward us, do you mean that literally, or are we (our galaxy), in fact, overtaking M98 because its velocity is less than our Milky Way?"

Messier 98 is one of more than a thousand galaxies in the Virgo cluster, a dense galactic group located some 50-60,000 light years away. In the image above, it's visible on the right, with its relatively nearby neighbor, M99, on the left.

Gravitationally bound objects have what we call an moyenne velocity, where we can compute how quickly the cluster is moving relative to us. But each of them also has a peculiar velocity, where they can be moving either towards us or away from us on top of the average velocity. For the Virgo cluster, if we measure the recession speeds of each of the galaxies, they show up in the ellipse highlighted below.

On average, the Virgo Cluster is receding from us at right around 1,000 km/s, but galaxies within it can have peculiar velocities of up to 1,500 km/s, meaning that a few galaxies are (temporarily) moving towards us at up to a few hundred km/s (like M98), while some galaxies are moving un moyen from us at over 2,000 km/s (like M99)! They're all going to expand away from us as the Universe continues to age, although for the next few tens of millions of years, M98 (and M86, and a few other large Virgo galaxies) will continue to move towards us before turning around and plunging back towards the center-of-mass of the cluster.

It's literally heading towards us (and getting closer to us), but that's only temporary!

A lovely sentiment from John D. Whitehead after reading Why The World Needs Cosmos -- "I will be 50 this year, and the original Cosmos inspired me as a teen. My grandfather said “Read something and learn every day and you’ll be smarter than any ‘Professor’ and never be in need of a degree or ‘credentials’.” I was about to turn 8 when Apollo 17 ended all hopes of returning to the Moon in my lifetime, and I was short-sighted when it came to realizing that a life of exploration was still open to me. Thank you so much Ethan for rewarding all of us millions who still dream and are always searching the Universe with our questions every day. Your site is the first I go to every night at work, and you answer in a more satisfying depth than the usual spoon-fed pablum the ‘target audiences’ get on Nova and documentaries like ‘Cosmos’. I search out and explore every link, for the deeper nourishment, I have come to crave from a lifetime of learning. Thank you and Thanks to Carl and now Neil for pointing the way to the Cosmos in and around us, you have all made the Journey less lonely for me."

There were no comments on this post that really asked a question or warranted a response, but I felt I should say something about this one. The Universe is something that brings us all together, a story that we all share with one another and with everything else, living and inanimate, past, present and future, from the smallest atom to the largest black hole.

And our local group will stay with us for trillions upon trillions of years, while the rest of the matter in the Universe will disappear from our cosmic horizon. That's the truth of our reality. To quote Carl Sagan,

For small creatures such as we the vastness is bearable only through love.

Thanks for sharing in the journey we're all taking, and thanks for having me as a part of it.

From Sinisa Lazarek about The 3 Most Surprising Elements -- "I’ve read a while ago that Lithium abundance is significantly off in comparison with theory and observation.
Does this mechanism of spallation correct that or is Lithium data still a big problem. From the article it seems all is ok and fits the theory perfectly. Just wondering if Lithium problem was resolved in last couple of years?"

Sinisa is referring to these measurements, which are Fermer for Lithium-7 to matching what the values ought to be from observations of the CMB, but which miss by a little bit. The predicted values are just a little high compared to what we observe.

There's also the Lithium-6 puzzle, where there's a little too much Lithium-6. The problem with these observations is that we are uncertain as to how much of the lithium we see is left over from the Big Bang, how much has been destroyed in stars, and how much has been produce from spallation: from cosmic rays causing the nuclear fission of heavier elements.

It's fair to say that this is an ongoing area of active research one person I follow quite closely and whom I respect is Karsten Jedamzik. The standard picture of Big Bang Nucleosynthesis is certainly not in jeopardy at this time, but it's worth keeping an eye on.

And finally, from Arun Kumar, also concerning The 3 Most Surprising Elements -- "Loved the article, but I do have a question. How does this explain the concentrations of Lithium that are mined, for the manufacture of batteries for example?"

You see, this is a good question! In the Solar System -- and in the Universe in general -- Lithium is somewhat rare.

But in the Earth's crust, there's actually a significant amount of Lithium, beaucoup more than you'd expect from the above graph!

Image credit: Gordon B. Haxel, Sara Boore, and Susan Mayfield from USGS vectorized by Wikimedia Commons user michbich.

Why is lithium so much more common in our crust? Quite simply: because lighter elements buoyantly "float" atop the heavier ones! While the heaviest metals are concentrated in our planet's core, the lightest ones have preferentially risen to the crust. As it stands, most of the lithium in our planet is located within the first few hundred km of the surface, which is crazy considering our planet is over 6,000 km to the core!

The segregation isn't perfect, but it's good enough to explain why there's a somewhat large amount of lithium in our crust, and why it's not rare to us at all!


How did the lighter elements end up in the center of the solar system? Solar System Formation - Astronomy

Is there any theory of the origin of Solar system which can explain these three things:

1) The chemical elements distribution between different planets (the Sun has very little of heavy elements, Venus and Earth lots of it, Jupiter and Saturn have little again)

This is explained by the Lewis Model. In the early Solar System, which was a cloud of gasses, the inner parts were warmer than the outer parts. In the inner region, only things like metal or rock could condense, so the inner planets (Mercury, Venus, Earth, and Mars) are composed chiefly of metal and rock. As you move out to the cooler outer regions, it gets cool enough for things like water ice, and then ammonia and methane ice to condense.

The reason why the outer layers of the gas giants (Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune) are composed of lighter elements is that these planets grew larger than the Earth, quickly. There are two reasons why. One is that, in the outer regions, it was cool enough for a larger range of materials to condense -- not only rock and metal, but also things that condense at cooler temperatures such as water ice and ammonia ice, so there was more "raw materials" for the planets to be made of. The other reason is that ice sticks together better than rocks and metals, so when the ice that had condensed in small pieces ran into other pieces of ice, it tended to make bigger pieces, rather than bounce off or fragment as pieces of rock do. The outer planets originated as big planets made of ice and rock. The were massive enough that their gravity allowed them to accummulate hydrogen and helium, which the inner planets did not have enough mass to hold on to, and grow to their current titanic proportions.

2) The upturned direction of Venus rotation around axis (in contrast with other planets)

An old idea about Venus' rotation (which is clockwise as viewed from the north as opposed to counter-clockwise like the other planets) is that gravitational influences of the Sun slowed it down until its rotational period equaled its orbital period. That situation is called a spin-orbit resonance. Mercury is in a slightly different type of spin-orbit resonance. However, that will not explain why Venus is rotating backward.

Another idea is that an impact with a large body gave Venus its strange spin state. This is not supported by any good physical evidence, and it is strange that Venus would end up rotating slowly backwards instead of tipped over at a random angle, like Uranus.

There is no widely-accepted explanation of Venus' rotation right now. Personally, I think that's good. It means that there is still a Great Mystery in the solar system waiting to be revealed, and reminds us astronomers not to get too full of ourselves.

3) The division of momentum (the Sun has less than 2% as I remember).

I don't think this is a problem according to the Cameron Model (which explains how the Solar System formed out of a spinning cloud of gas and dust.) There's no reason why we would expect the Sun to contain most of the angular momentum in the Solar System, especially since the planets are constantly stealing it through tidal interactions.

This page was last updated June 28, 2015.

A propos de l'auteur

Dave Kornreich

Dave was the founder of Ask an Astronomer. He got his PhD from Cornell in 2001 and is now an assistant professor in the Department of Physics and Physical Science at Humboldt State University in California. There he runs his own version of Ask the Astronomer. He also helps us out with the odd cosmology question.


The Origin of the Solar System

Here is a brief outline of the current theory of the events in the early history of the solar system:

  1. A cloud of interstellar gas and/or dust (the “solar nebula”) is disturbed and collapses under its own gravity. The disturbance could be, for example, the shock wave from a nearby supernova.
  2. As the cloud collapses, it heats up and compresses in the center. It heats enough for the dust to vaporize. The initial collapse is supposed to take less than 100,000 years.
  3. The center compresses enough to become a protostar and the rest of the gas orbits/flows around it. Most of that gas flows inward and adds to the mass of the forming star, but the gas is rotating. The centrifugal force from that prevents some of the gas from reaching the forming star. Instead, it forms an “accretion disk” around the star. The disk radiates away its energy and cools off.
  4. First brake point. Depending on the details, the gas orbiting star/protostar may be unstable and start to compress under its own gravity. That produces a double star. If it doesn’t …
  5. The gas cools off enough for the metal, rock and (far enough from the forming star) ice to condense out into tiny particles. (i.e. some of the gas turns back into dust). The metals condense almost as soon as the accretion disk forms (4.55-4.56 billion years ago according to isotope measurements of certain meteors) the rock condenses a bit later (between 4.4 and 4.55 billion years ago).
  6. The dust particles collide with each other and form into larger particles. This goes on until the particles get to the size of boulders or small asteroids.
  7. Run away growth. Once the larger of these particles get big enough to have a nontrivial gravity, their growth accelerates. Their gravity (even if it’s very small) gives them an edge over smaller particles it pulls in more, smaller particles, and very quickly, the large objects have accumulated all of the solid matter close to their own orbit. How big they get depends on their distance from the star and the density and composition of the protoplanetary nebula. In the solar system, the theories say that this is large asteroid to lunar size in the inner solar system, and one to fifteen times the Earth’s size in the outer solar system. There would have been a big jump in size somewhere between the current orbits of Mars and Jupiter: the energy from the Sun would have kept ice a vapor at closer distances, so the solid, accretable matter would become much more common beyond a critical distance from the Sun. The accretion of these “planetesimals” is believed to take a few hundred thousand to about twenty million years, with the outermost taking the longest to form.
  8. Two things and the second brake point. How big were those protoplanets and how quickly did they form? At about this time, about 1 million years after the nebula cooled, the star would generate a very strong solar wind, which would sweep away all of the gas left in the protoplanetary nebula. If a protoplanet was large enough, soon enough, its gravity would pull in the nebular gas, and it would become a gas giant. If not, it would remain a rocky or icy body.
  9. At this point, the solar system is composed only of solid, protoplanetary bodies and gas giants. The “planetesimals” would slowly collide with each other and become more massive.
  10. Eventually, after ten to a hundred million years, you end up with ten or so planets, in stable orbits, and that’s a solar system. These planets and their surfaces may be heavily modified by the last, big collision they experience (e.g. the largely metal composition of Mercury or the Moon).

Noter: this was the theory of planetary formation as it stood before the discovery of extrasolar planets. The discoveries don’t match what the theory predicted. That could be an observational bias (odd solar systems may be easier to detect from Earth) or problems with the theory (probably with subtle points, not the basic outline.)


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Elements heavier than iron are produced mainly by neutron-capture inside stars, although there are other more minor contributors (cosmic ray spallation, radioactive decay). They are not only produced in stars that explode as supernovae. This has now been established fact since the detection of short-lived Technetium in the atmospheres of red giant and AGB stars in the 1950s (e.g. Merrill 1952), and it is tiresome to have to continue correcting this egregious pop-sci claim more than 60 years later.

The r-process

Neutron capture can occur rapidly (the r-process) and this process occurs mostly inside and during supernova explosions (though other mechanisms such as merging neutron stars have been mooted). The free neutrons are created by electron capture in the final moments of core collapse. At the same time this can lead to the build up of neutron-rich nuclei and the decay products of these lead to many of the chemical elements heavier than iron once they are ejected into the interstellar medium during the supernova explosion. The r-process is almost exclusively responsible for elements heavier than lead and contributes to the abundances of many elements between iron and lead.

There is still ongoing debate about the site of the primary r-process. My judgement from a scan of recent literature is that whilst core-collapse supernovae proponents were in the majority, there is a growing case to be made that neutron star mergers may become more dominant, particularly for the r-process elements with $A>110$ (e.g. Berger et al. 2013 Tsujimoto & Shigeyama 2014). In fact some of the latest research I have found suggests that the pattern of r-process elemental abundances in the solar system could be entirely produced by neutron star mergers (e.g. Wanajo et al. 2004), though models of core-collapse supernovae that incorporate magneto-rotational instabilities or from rapidly-rotating "collapsar" models, also claim to be able to reproduce the solar-system abundance pattern (Nishimura et al. 2017) and may be necessary to explain the enhanced r-process abundances found in some very old halo stars (see for example Brauer et al. 2020).

Significant new information on this debate comes from observations of kilonovae and in particular, the spectacular confirmation, in the form of GW170817, that kilonovae can be produced by the merger of two neutron stars. Observations of the presumably neutron-rich ejecta, have confirmed the opacity signature (rapid optical decay, longer IR decay and the appearance of very broad absorption features) that suggest the production of lanthanides and other heavy r-process elements (e.g. Pian et al. 2017 Chornock et al. 2017). Whether neutron star mergers are the dominant source of r-process elements awaits an accurate assessment of how frequently they occur and how much r-process material is produced in each event - both of which are uncertain by factors of a few at least.

A paper by Siegel (2019) reviews the merits of neutron star merger vs production of r-process elements in rare types of core collapse supernovae (aka "collapsars"). Their conclusion is that collapsars are responsible for the majority of the r-process elements in the Milky Way and that neutron star mergers, whilst probably common enough, do not explain the r-process enhancements seen in some very old halo stars and dwarf galaxies and the falling level of europium (an r-process element) to Iron with increased iron abundance - (i.e. the Eu behaves like "alpha" elements like oxygen and neon that are produced in supernovae).

The s-process

However, many of the chemical elements heavier than iron are also produced by slow neutron capture the so-called s-process. The free neutrons for these neutron-capture events come from alpha particle reactions with carbon 13 (inside asymptotic giant branch [AGB] stars with masses of 1-8 solar masses) or neon 22 in giant stars above 10 solar masses. After a neutron capture, a neutron in the new nucleus may then beta decay, thus creating a nucleus with a higher mass number and proton number. A chain of such events can produce a range of heavy nuclei, starting with iron-peak nuclei as seeds. Examples of elements produced mainly in this way include Sr, Y, Rb, Ba, Pb and many others. Proof that this mechanism is effective is seen in the massive overabundances of such elements that are seen in the photospheres of AGB stars. A clincher is the presence of Technetium in the photospheres of some AGB stars, which has a short half life and therefore must have been produced in situ.

According to Pignatari et al. (2010), models suggests that the s-process in high mass stars (that will become supernovae) dominates the s-process production of elements with $A<90$ , but for everything else up to and including Lead the s-process elements are mainly produced in modest sized AGB stars that never become supernovae. The processed material is simply expelled into the interstellar medium by mass loss during thermal pulsations during the AGB phase.

The overall picture

As a further addition, just to drive home the point that not all heavy elements are produced by supernovae, here is a plot from the epic review by Wallerstein et al. (1997), which shows the fraction of the heavy elements in the solar system that are produced in the r-process (i.e. an upper limit to what is produced in supernovae explosions). Note that this fraction is very small for some elements (where the s-process dominates), but that the r-process produces everything beyond lead.

A more up-to-date visualisation of what goes on (produced by Jennifer Johnson) and which attempts to identify the sites (as a percentage) for each chemical element is shown below. It should be stressed that the details are still subject to a lot of model-dependent uncertainty.


The early Earth, as with Mars, Mercury and Venus, was formed from elements that had gathered in a zone roughly between 55 million to 230 million kilometers (35 million to 140 million miles) from the sun. Although the Earth had some hydrogen and helium in its early atmosphere, its weak gravity lost these light gases soon after. The Earth was kept hot by the collisions with the many large meteorites that were still common in the solar system.

After several million years, the Earth separated into several layers. Iron, nickel and other heavy metals mostly settled to the core lighter elements remained in the mantle around the core. The lightest elements, such as oxygen and silicon, floated to the top and cooled, forming a solid crust. Because the Earth was not completely liquid, the layering process was uneven pockets of heavy elements remained in the crust.


How did the lighter elements end up in the center of the solar system? Solar System Formation - Astronomy

Is there any theory of the origin of Solar system which can explain these three things:

1) The chemical elements distribution between different planets (the Sun has very little of heavy elements, Venus and Earth lots of it, Jupiter and Saturn have little again)

This is explained by the Lewis Model. In the early Solar System, which was a cloud of gasses, the inner parts were warmer than the outer parts. In the inner region, only things like metal or rock could condense, so the inner planets (Mercury, Venus, Earth, and Mars) are composed chiefly of metal and rock. As you move out to the cooler outer regions, it gets cool enough for things like water ice, and then ammonia and methane ice to condense.

The reason why the outer layers of the gas giants (Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune) are composed of lighter elements is that these planets grew larger than the Earth, quickly. There are two reasons why. One is that, in the outer regions, it was cool enough for a larger range of materials to condense -- not only rock and metal, but also things that condense at cooler temperatures such as water ice and ammonia ice, so there was more "raw materials" for the planets to be made of. The other reason is that ice sticks together better than rocks and metals, so when the ice that had condensed in small pieces ran into other pieces of ice, it tended to make bigger pieces, rather than bounce off or fragment as pieces of rock do. The outer planets originated as big planets made of ice and rock. The were massive enough that their gravity allowed them to accummulate hydrogen and helium, which the inner planets did not have enough mass to hold on to, and grow to their current titanic proportions.

2) The upturned direction of Venus rotation around axis (in contrast with other planets)

An old idea about Venus' rotation (which is clockwise as viewed from the north as opposed to counter-clockwise like the other planets) is that gravitational influences of the Sun slowed it down until its rotational period equaled its orbital period. That situation is called a spin-orbit resonance. Mercury is in a slightly different type of spin-orbit resonance. However, that will not explain why Venus is rotating backward.

Another idea is that an impact with a large body gave Venus its strange spin state. This is not supported by any good physical evidence, and it is strange that Venus would end up rotating slowly backwards instead of tipped over at a random angle, like Uranus.

There is no widely-accepted explanation of Venus' rotation right now. Personally, I think that's good. It means that there is still a Great Mystery in the solar system waiting to be revealed, and reminds us astronomers not to get too full of ourselves.

3) The division of momentum (the Sun has less than 2% as I remember).

I don't think this is a problem according to the Cameron Model (which explains how the Solar System formed out of a spinning cloud of gas and dust.) There's no reason why we would expect the Sun to contain most of the angular momentum in the Solar System, especially since the planets are constantly stealing it through tidal interactions.

This page was last updated June 28, 2015.

A propos de l'auteur

Dave Kornreich

Dave was the founder of Ask an Astronomer. He got his PhD from Cornell in 2001 and is now an assistant professor in the Department of Physics and Physical Science at Humboldt State University in California. There he runs his own version of Ask the Astronomer. He also helps us out with the odd cosmology question.