Qual è il destino a lungo termine dei giganti del gas?

Se non sbaglio, si ritiene che la ragione di un clima così turbolento sui 4 pianeti giganti del gas esterno sia che la pressione interna è così grande che sta generando calore, che sta causando convezione, che causa condizioni meteorologiche estreme.

Questi pianeti genereranno per sempre calore o ad un certo punto si congeleranno?

Come appariranno Giove tra trilioni di anni?

gas-giants

— Scottie
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Per favore, non usare parole come "trilioni" poiché sono confuse. Non trasmette lo stesso senso in en.wikipedia.org/wiki/Long_and_short_scales Usa parole scientifiche chiare come Gigayears.

— Invita il

1 trilione di anni = 1000 Gigayears.

— Rob Jeffries,

Risposte:

Il calendario su cui si raffredda Giove è ragionevolmente ben compreso e previsto dall'attuale generazione di modelli evolutivi.

La luminosità di Giove è fornita principalmente dalla contrazione gravitazionale. Per un pianeta che contiene solo gas governato dalla legge del gas perfetta, la scala temporale appropriata per questa contrazione (o in effetti perché la luminosità diminuisca in modo significativo) è data dalla scala temporale di Kelvin Helmholtz. dove e sono la massa e il raggio di Giove e è la sua potenza attuale (o luminosità), e il parametro . Questa scala temporale è di alcuni anni.

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}

$10^{11}$

Tuttavia, i pianeti giganti come Giove non sono governati da leggi del gas perfette. Il gas al centro di Giove è abbastanza denso da far degenerare gli elettroni. Gli elettroni degeneri riempiono i livelli di energia disponibili fino all'energia di Fermi. Il loro conseguente momento zero degli elettroni esercita una pressione di degenerazione indipendente dalla temperatura . Di conseguenza, il tasso di contrazione rallenta e il rilascio di energia potenziale gravitazionale rallenta; il pianeta è in grado di raffreddarsi e rimanere in equilibrio idrostatico senza lo stesso grado di contrazione.

Si può esprimere questa modifica usando il parametro . Per Giove ( Guillot & Gautier 2014 ) - vale a dire che la scala temporale per far sbiadire la luminosità è 30 volte più veloce dell'ingenuo tempo di Kelvin-Helmholtz e la luminosità di Giove si ridimensionerà come reciproca della sua epoca e diminuirà di un fattore di pochi tra anni. Tra trilioni di anni, la luminosità di Giove sarà inferiore a quella di circa un fattore di 250. $\eta$ $\eta \simeq 0.03$ $10^{10}$

— Rob Jeffries
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Da quello che so, il calore è stato principalmente generato quando i giganti gassosi sono stati creati. Parte di ciò derivava dall'attrito causato dalla pressione interna. Tuttavia, questo calore non viene più generato, poiché è stato generato solo quando la materia è caduta nel pianeta.

Presumibilmente generano calore dagli elementi radioattivi nel nucleo (anche se nessuno è mai stato giù e controllato se ce ne sono: P), e riceveranno anche un 'impulso' dal riscaldamento solare.

Nel tempo, tuttavia, ogni fonte di calore diminuirà. Il calore latente dalla nascita verrà dissipato nello spazio sotto forma di radiazione, gli elementi radioattivi decadranno e la stella che sta orbitando morirà.

Quindi immagino che Giove non avrà più il suo clima drammatico tra trilioni di anni.

— Superdavo
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Avevo sempre imparato che il calore del Sole non era in alcun modo abbastanza potente da guidare il clima estremo su questi giganti gassosi e che doveva esserci qualche altra fonte di calore. La teoria principale era che l'estrema pressione al centro stava generando abbastanza calore per causare questo. Ma se capisco cosa stai dicendo, non sta più generando calore, ma piuttosto solo il calore residuo della genesi del pianeta?

— Scottie,

Non la penso così, altrimenti sarebbe in grado di generare calore per sempre, il che lo renderebbe una fonte infinita di energia. Tuttavia, l'energia residua in un gigante gassoso è piuttosto estrema e dovrebbe durare a lungo. È una situazione simile a quella di una stella nana bianca, che alla fine si raffredderà in una nana nera morta.

— Superdavo,

Giove può generare il proprio calore attraverso il processo Kelvin – Helmholtz: quando irradia calore, si contrae, convertendo così il potenziale gravitazionale in termico. La capacità termica negativa è caratteristica dei sistemi associati alla gravità. L'attuale luminosità intrinseca gioviana è , quindi la scala termica è Abbiamo usato il valore attuale , quindi le indicazioni del futuro a lungo termine sono incerte. Ma il punto è che non è ovvio che si possa eliminare così rapidamente la generazione di calore interno!

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

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

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

$\tau_\text{KH}\sim\frac{GM^2}{RL_\text{J}}\sim 10^{11}\,\mathrm{yr}\text{.}$

— Stan Liou,

@StanLiou La scala cronologica di Kelvin Helmholtz non può essere applicata a un oggetto supportato da una pressione (parziale) di degenerazione. Il tasso di contrazione di Giove sta rallentando e cesserà di generare energia attraverso la contrazione e raffreddarsi a un raggio quasi costante, supportato dalla pressione della degenerazione.

— Rob Jeffries,

@RobJeffries Sì, è per questo che ho detto che non è chiaro fino a che punto le condizioni attuali siano indicative dell'attuale futuro a lungo termine di Giove. Tuttavia, il punto è che respingere la generazione di calore interno senza un'analisi più approfondita come se fosse semplicemente ovvio è inappropriato.

— Stan Liou,

In "un trilione" di anni il destino di Giove sarà influenzato da quanto violento diventa il nostro Sole quando si trasforma in Red Giant, tra 5000 milioni di anni (5Gy) da oggi.

Con il nostro Sole così grande e brillante, riscalderà Giove molto più di adesso. Ma anche la perdita di massa farà avanzare Jupiter verso un'orbita più grande, catturando una massa extra.

Quindi tra "un trilione" di anni Giove sarà un pianeta più grande, più freddo e più denso (come pure indicato da Rob Jeffries nella sua risposta), un pianeta più esterno attorno a una nana bianca.

— envite
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Questo è un punto interessante Ma, penso che dopo un trilione di anni (1E12), ciò che è accaduto nei primi 10 miliardi sarà ampiamente dimenticato. cioè l'evoluzione successiva dipende molto debolmente dalle condizioni iniziali. Al massimo "resetterà l'orologio a zero" quando il Sole diventerà un gigante.

— Rob Jeffries,