Astronomie

Une planète peut-elle exister avec la même masse que la Terre, mais avec un diamètre différent ?

Une planète peut-elle exister avec la même masse que la Terre, mais avec un diamètre différent ?


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Peut-il y avoir une planète avec la même masse et une composition similaire que la Terre, mais avec un diamètre plus grand ou plus petit, et comment cela pourrait-il théoriquement se produire ? J'ai essayé de voir s'il existe des recherches ou des sites qui abordent cette idée, mais je n'ai naturellement rien trouvé.


Oui, une planète peut exister avec la même masse que la Terre, mais avoir un diamètre différent - si elle a une densité différente. Plus la densité est faible, plus le diamètre sera grand. En termes de formule exacte, on a :

$$d(M, ho) := 2 cdot sqrt[3]{frac{3M}{4pi ho}}$$

L'astuce est que la densité est spécifiquement fonction de la composition : par conséquent, la mesure dans laquelle le diamètre peut varier dépend essentiellement complètement de la valeur que vous avez en tête lorsque vous demandez une composition comme étant "similaire". Des densités radicalement différentes, et donc des diamètres, ne seront possibles qu'avec une composition radicalement différente - par ex. une enveloppe de gaz lourd fournira une densité considérablement réduite, tout comme un pourcentage massique important d'eau (pensez à cette hypothétique planète de masse terrestre comme étant comme une grande version de certaines lunes de Jupiter et de Saturne, comme Europe et Encelade. En fait , on pense qu'un certain pourcentage des planètes extrasolaires découvertes sont de ce type : bien que vous ne devriez pas penser qu'il y a un océan liquide tout en bas, car après environ 100 km de profondeur ou plus sur une gravité comparable à celle de la Terre, l'eau gèle en raison de la compression.).

Si par composition « similaire », nous entendons que, disons, la planète doit toujours avoir une surface solide et hospitalière, et avoir tous les mêmes matériaux que sur Terre, mais peut-être juste en abondance quelque peu différente, un moyen « facile » pourrait être un réduction de la masse de fer. Une grande partie de la densité de la Terre est fournie grâce à son noyau central de fer relativement grand : comparez-la à la Lune, qui a peu ou pas de noyau de fer - la densité pour la Terre est de 5,5 g/cm^3, alors que celle de la Lune est d'environ 3,3 g/cm^3, bien qu'il faille également tenir compte des effets de compression dus à l'écrasement gravitationnel de l'intérieur. Un petit noyau de fer donnerait une densité dans la plage intermédiaire entre ces deux.

Avec un noyau de fer aussi petit, pour donner une masse terrestre (environ 6000 Yg), il doit être échangé contre une plus grande quantité de roche moins dense, d'où le diamètre de la planète sera plus grand. A l'inverse, on pourrait imaginer avoir Suite d'un noyau de fer, similaire à Mercure, puis le diamètre serait plus petit (et la gravité de surface plus grande) car nous aurions moins de roches pour éviter de dépasser la seule prescription de masse terrestre.


Oui, cela se résume essentiellement à une densité moyenne. Cette densité moyenne peut être utilisée comme une approximation de la composition de la planète, un exemple de relations masse-rayon pour les planètes rocheuses de faible masse peut être vu dans l'image ci-jointe de Gettel, S., Charbonneau, D., Dressing, CD, Buchhave, LA, Dumusque, X., Vanderburg, A., Bonomo, AS, Malavolta, L., Pepe, F., Cameron, AC et al. (2016), « Le système kepler-454 : une petite planète intérieure non rocheuse, un monde jovian et un compagnon lointain », The Astrophysical Journal 816(2), 95.


Désolé, fans de la Super-Terre, il n'y a que trois classes de planètes

Il y a à peine 30 ans, si vous aviez demandé à un astronome s'il y avait des planètes autour d'autres étoiles au-delà du Soleil, il ne pourrait pas vous le dire avec certitude. Bien que toutes les théories sur la formation des planètes aient indiqué qu'elles devraient exister autour de nombreuses étoiles, sinon la plupart d'entre elles, nous n'avions aucune preuve de planètes au-delà du système solaire. Nous avons donc fait la chose la plus naturelle que vous puissiez imaginer : nous avons supposé que les autres étaient comme les nôtres, avec des mondes rocheux à l'intérieur et des géantes gazeuses à l'extérieur. Au cours des décennies qui ont suivi, nous avons commencé à découvrir que nos hypothèses étaient gravement erronées : pratiquement toutes les étoiles ont des planètes, des mondes de toutes tailles pourraient apparaître n'importe où dans un système solaire, il y avait de nombreuses planètes encore plus grandes que Jupiter et la plupart des mondes étaient plus grands que la Terre mais plus petits que Neptune. . Pourtant, malgré tout ce que nous avons appris, il semble n'y avoir que trois classes de planètes : les mondes terriens, les mondes neptuniens et les mondes joviens.

Ce n'est probablement pas ce que vous avez entendu auparavant, car ce n'est pas ainsi que les astronomes ont classé les planètes qu'ils ont trouvées. Grâce à deux méthodes principales :

  1. La méthode de la vitesse radiale (ou de l'oscillation stellaire), où la masse d'une planète est déduite du mouvement orbital périodique que son étoile subit,
  2. et la méthode de transit (utilisée par le satellite Kepler de la NASA), où une planète passe devant une étoile par rapport à notre ligne de mire, bloquant une partie de sa lumière,

nous avons pu mesurer soit la masse, soit le rayon d'un grand nombre de planètes. Kepler, en particulier, excelle dans la mesure du rayon d'une exoplanète. Lorsque nous les avons classés, nous avons trouvé quelque chose d'excitant et de surprenant : la majorité des planètes de l'Univers n'étaient pas comme celles de notre système solaire.

Alors que les mondes rocheux de la taille de la Terre – et les mondes rocheux légèrement plus grands et légèrement plus petits – étaient courants, tout comme les mondes de la taille de Neptune et Jupiter, il y avait une troisième classe de planètes qui était la plus commune de toutes. Entre la taille de la Terre et Neptune se trouvait une possibilité que nous avions négligée : un monde super-Terre (ou mini-Neptune). Il s'est avéré qu'il y avait plus de super-Terres que tout autre type. Cela a conduit beaucoup à se demander pourquoi notre système solaire n'avait pas l'une de ces planètes semblables à la super-Terre, et si une catastrophe ou une rareté s'est produite au début de notre histoire pour nous laisser les résultats que nous avons aujourd'hui.

Les possibilités étaient intrigantes mais frustrantes, notamment :

  • Ces premières super-Terres se sont formées, mais n'ont pas survécu, peut-être éjectées lors de la migration des planètes géantes.
  • Que l'ensemble du système solaire interne a été effacé avant que Jupiter ne se déplace vers l'extérieur, et que les mondes rocheux sont si petits parce qu'ils se sont formés tardivement, après la disparition de la plupart des matériaux.
  • Ou que nos géantes gazeuses massives et le Soleil ont englouti le matériau de formation des premières planètes pour eux-mêmes, éliminant ainsi la possibilité d'une super-Terre.

Mais toutes ces spéculations ont fait une hypothèse importante qui n'est pas nécessairement correcte : que ce que nous appelons les super-Terres et les mini-Neptunes sont en fait des classes de planètes distinctes de ce que nous avons dans notre système solaire. Cette hypothèse est-elle bonne, cependant?

La façon dont vous le dites est de regarder les données dont vous disposez. Si vous voulez être considéré comme une planète, tout le monde s'accorde à dire que vous devez avoir une masse suffisante pour vous hisser à l'équilibre hydrostatique : une sphère si vous ne tournez pas, une forme plus ellipsoïdale si vous le faites. Nous pouvons imaginer beaucoup de possibilités différentes pour ces mondes, notamment :

  • qu'ils soient rocheux ou non,
  • qu'ils aient des atmosphères ou non,
  • que leurs surfaces soient gelées ou non,
  • s'ils ont de grandes enveloppes gazeuses d'hydrogène et d'hélium autour d'eux,
  • si leurs noyaux sont considérablement comprimés en raison de la gravitation,
  • et s'ils commencent à fusionner des éléments légers en éléments plus lourds à l'intérieur d'eux.

Des réponses simples par oui ou par non à ces questions pourraient être pertinentes non seulement pour l'habitabilité potentielle d'un monde, mais aussi pour comprendre dans combien de types sont scientifiquement raisonnables de classer ces mondes.

Mais plutôt que de spéculer avec les données de Kepler, les scientifiques Jingjing Chen et David Kipping ont proposé une nouvelle façon intrigante et convaincante de classer ces mondes en se basant uniquement sur les données. En ne traçant que les planètes dont nous avions mesuré à la fois la masse et le rayon, ils ont pu identifier où il y avait des relations stables entre les mondes (indiquant des similitudes) et où il y avait des changements dans les relations (indiquant des changements ou des transitions). Ce qu'ils ont trouvé nous a montré que nous avons mal vu le « problème ».

Comme le montrent leurs recherches (et le graphique ci-dessus), il n'existe que trois types de monde différents ! Selon leurs schémas de classification, il y a :

  1. Mondes terriens — ce sont des mondes apparentés aux mondes rocheux de notre système solaire. Ils peuvent avoir des océans, des glaces et/ou des atmosphères, mais n'ont pas d'enveloppe d'hydrogène/hélium autour d'eux.
  2. Mondes neptuniens — ce sont des planètes semblables à Saturne, Uranus et Neptune, et sont dominées par une vaste atmosphère d'hydrogène, d'hélium et d'autres atomes/molécules qui s'évaporent facilement. Ils peuvent avoir des intérieurs rocheux, mais ils obéissent à une relation masse/rayon différente de celle des mondes terriens.
  3. mondes joviens – semblable à Jupiter, ces mondes sont si massifs qu'ils commencent à se comprimer à l'intérieur à mesure que vous ajoutez plus de masse, leur rayon se rétrécit. Cet effet, d'auto-compression gravitationnelle, est la raison pour laquelle Jupiter n'est qu'environ 20 % plus gros que Saturne, mais est trois fois plus massif.

Et c'est tout. Si vous devenez plus massif que cela, vous commencerez à fusionner des éléments légers en éléments plus lourds dans votre cœur et deviendrez une étoile à part entière.

Maintenant, il y a probablement des extrêmes qui représentent de petites exceptions à cette règle. Il y a des mondes neptuniens ou peut-être même joviens qui ont été si profondément détruits par une étoile ou une autre source astrophysique que leurs atmosphères ont été détruites, et tout ce qui reste est un noyau rocheux semblable à un monde terrien. Il y a des mondes joviens si massifs qu'ils commencent le processus de combustion du deutérium, devenant un type d'étoile ratée connue sous le nom de naine brune. Et il peut y avoir des mondes dans les zones de transition, soit entre Terran/Neptunian ou Neptunian/Jovian, qui peuvent avoir des caractéristiques des deux classes de monde, en fonction de divers facteurs comme la température ou l'histoire évolutive.

Ce qui est vraiment intéressant, c'est comment la relation masse/rayon change pour ces trois classes de monde différentes. Jusqu'à environ le double de la masse de la Terre, ou une taille juste

25% plus grand que le rayon de la Terre, vous avez la possibilité d'être semblable à la Terre, avec une vie florissante à la surface. Au-delà, vous aurez une énorme enveloppe hydrogène/hélium et vous ressemblerez beaucoup plus à Neptune, Uranus ou Saturne. En d'autres termes, ce que nous avons classé comme "super-Terre" ne ressemble en rien à la Terre, mais sont plutôt des mondes géants gazeux, censés être totalement inhospitaliers à la vie à leur surface.

Chen et Kipping arrivent à cette même conclusion dans leur article, où ils répondent à la question « où est la super-Terre de notre système solaire ? » comme suit:

Le grand nombre de planètes découvertes de 2 à 10 [masse terrestre] est souvent cité comme preuve que les super-Terres sont très courantes et que la composition du système solaire est donc inhabituelle… Cependant, si la frontière entre les mondes terrien et neptunien est ramenée à 2 [Terre masses], le système solaire n'est plus inhabituel. En effet, selon notre définition, trois des huit planètes du système solaire sont des mondes neptuniens, qui sont le type de planète le plus commun autour d'autres étoiles semblables au Soleil.

Dans cette classification, la réponse devient claire : la taille de la Terre est la bonne taille pour une vie potentielle à long terme. Beaucoup plus petit, et il est difficile de s'accrocher à une atmosphère riche et vitale beaucoup plus grande, et il est trop facile de s'accrocher à une enveloppe d'hydrogène/hélium qui détruit la vie.

Il y a quelques planètes que nous avons découvertes jusqu'à présent, telles que Kepler-438b, Kepler-186f, Proxima b et les mondes TRAPPIST-1, qui pourraient avoir la bonne combinaison de masse et de rayon pour soutenir la vie . Mais la plupart de ce que nous avons appelé des "mondes potentiellement habitables" là-bas ont tout simplement un rayon trop grand et, par conséquent, avec une atmosphère écrasante pleine de volatiles, pour être un candidat à la vie telle que nous la connaissons dans n'importe quel façon du tout. Il n'y a que trois classes de planètes, les mondes terriens, les mondes neptuniens et les mondes joviens, qui ont un sens physique. Ce que nous avons appelé super-Terres ne sont que des mondes neptuniens un peu plus petits que ce que nous trouvons dans notre système solaire, et ils s'avèrent être le type de planète le plus courant. Avec trois mondes neptuniens dans notre propre arrière-cour, nous ne manquons de rien après tout.


Pour la première fois, une exoplanète de la taille de Mars révèle tout

Plus j'y pense, plus il évalue un "Saint Haleakala!": Pour la première fois, les astronomes ont trouvé non seulement la taille mais aussi le Masse d'une exoplanète plus petite que la Terre.

La planète orbite autour de l'étoile Kepler-138 (également appelée 2MASS J19213157+4317347, si vous êtes particulièrement intéressé par ce genre de choses). C'est une étoile naine rouge, ce qui signifie qu'elle est moins massive et plus froide que le Soleil. C'est à environ 200 années-lumière.

Il y a trois exoplanètes en orbite autour de Kepler-138, qui portent les désignations Kepler-138b, c et d. Tous les trois ont été découverts lors d'observations faites par l'observatoire Kepler en utilisant la méthode de transit, nous voyons les orbites de la planète de côté, de sorte qu'en orbite autour de leur étoile, ils bloquent périodiquement un peu de sa lumière. Cette baisse est petite, mais mesurable.

Le temps qu'il faut à la planète pour traverser la face de l'étoile nous indique la taille et la forme de l'orbite. La quantité de lumière bloquée nous indique la taille de la planète, car une planète plus grosse bloque plus de lumière. La planète intérieure a un diamètre d'environ 0,52 fois celui de la Terre, soit environ 6 600 kilomètres, soit presque exactement la même taille que Mars ! Les deux autres font environ 1,2 fois le diamètre de la Terre, soit environ 15 000 km.

En général, il est beaucoup plus difficile de trouver les masses des planètes. Mais dans ce cas, nous avons une longueur d'avance : les planètes orbitent très près de leur étoile sur des orbites très étroites, donc l'espacement entre leurs orbites est petit. Lorsqu'une planète intérieure croise une planète extérieure, elles se tirent l'une sur l'autre par gravité, accélérant la planète intérieure et ralentissant la planète extérieure à mesure qu'elles s'approchent, puis elles s'inversent en se séparant.

Cela a un effet subtil mais mesurable sur le timing des transits. En mesurant soigneusement les temps exacts des transits des planètes, leurs effets gravitationnels les uns sur les autres peuvent être trouvés, et à partir de là, leurs masses peuvent être calculées.

Les masses des planètes se sont avérées être 0,066, 2 et 0,65 fois la masse de la Terre. Pourquoi est-ce important? Parce que si nous connaissons la taille et la masse d'une planète, nous pouvons calculer la densité, et cela nous donne une idée de la composition de la planète !

La planète intérieure a une densité d'environ 2,6 grammes par centimètre cube. Cela signifie qu'il est probablement rocheux et qu'il ne contient pas beaucoup de métaux lourds comme le fer ou le nickel comme la Terre (notre densité est d'environ 5,5 g/cc, et à titre de comparaison, l'eau a une densité de 1 g/cc). Ainsi, bien qu'il ait à peu près la même taille que Mars, il a environ 60% de sa masse. La deuxième planète a une densité de 6,2 g/cc, similaire à celle de la Terre, bien qu'un peu plus élevée, et la planète extérieure est de 2,1 g/cc.

Attention, tous les trois tournent autour de l'étoile très étroitement. La planète intérieure n'est qu'à 11 millions de kilomètres ! Même si c'est une étoile naine rouge, cela signifie que la planète intérieure est encore assez chaude. Même l'extérieur des trois est plus proche de l'étoile que Mercure ne l'est du Soleil. Tous seraient des endroits assez désagréables à visiter (si j'ai bien fait mes calculs, même la planète extérieure serait probablement plus chaude que le point d'ébullition de l'eau).

Donc, ils ne le sont pas. En fait, les trois me semblent assez différents les uns des autres, ce qui est intéressant. Dans notre système solaire, les trois planètes internes (Mercure, Vénus et Terre) ont des densités similaires. En fait, Vénus et la Terre ont également des compositions similaires, bien que Vénus soit, euh, quelque peu différente de nous dans les détails. Je suppose que notre système solaire interne et les Kepler-138 se sont formés différemment d'une manière ou d'une autre.

Ces observations sont un exploit fantastique ! Réfléchissez à ceci : en fixant une étoile pendant longtemps et en mesurant soigneusement sa lumière, nous pouvons comprendre qu'elle a des planètes, combien elle en a (ou au moins, elle pourrait en avoir plus que nous ne voyons pas) , quelles sont leurs orbites, quelle est la taille des planètes, quelles sont leurs masses et densités, et même jeter un coup d'œil à leur composition.

Et tout cela, à une distance de plus de 2 quadrillions de kilomètres ! C'est incroyable.


Une planète voyou peut-elle vraiment exister dans le système solaire ?

Une planète voyou suit une trajectoire qui la place à proximité de la Terre. Planet Nine est à l'horizon depuis plusieurs années. Les astrophysiciens Konstantin Batygin et Mike Brown ont parlé d'une planète géante et voyous dans notre système solaire appelée Planet X, Tyche ou Nibiru. De toute évidence, la NASA connaît cette planète mystérieuse depuis des années, mais a refusé de discuter de tout résultat éventuel.

Zecharia Sitchin, chercheur et auteur de renom, a déclaré que la planète X vole dans l'espace sur une orbite hautement elliptique, s'approchant de la terre par le sud sous un angle, puis se promène à l'arrière du soleil avant de sortir de notre système solaire tous les 3600- années. On sait aussi qu'on ne peut voir que ça naine brune approcher bas sur l'horizon d'un point de vue de l'hémisphère sud de la terre.

Par Wikipédia : L'interprétation de Sitchin révèle une planète non découverte au-delà de Neptune suivant une longue orbite elliptique, atteignant le système solaire interne. Cette planète s'appelle Nibiru, mais il n'a pas encore été vu directement.

Au cours des dernières années, d'innombrables scientifiques et études évaluées par des pairs ont documenté que la lune, le soleil et la terre ne sont pas sur leurs orbites normales. Il y a eu un changement dans le temps, les saisons, les marées, l'activité volcanique et l'activité tectonique. Plus de tornades frappent plus tôt dans l'année. Pendant des années, les gouvernements savaient qu'il pourrait y avoir un corps céleste qui s'approchait, considéré comme une étoile naine brune.

Washington Post (1983): UNE Un corps céleste peut-être aussi grand que la planète géante Jupiter et peut-être si proche de la Terre et une partie de ce système solaire a été trouvé dans la direction de la constellation d'Orion par un télescope en orbite à bord du satellite astronomique infrarouge américain. L'objet est si mystérieux que les astronomes ne savent pas s'il s'agit d'une planète, d'une comète géante ou d'une « protoétoile » proche qui n'a jamais été assez chaude pour devenir une étoile. "Tout ce que je peux vous dire, c'est que nous ne savons pas ce que c'est", de Dr Gerry Neugebauer, scientifique pour la Californie Laboratoire de propulsion à réaction.

Beaucoup plus tôt, Perceval Lowell, qui a insisté sur le fait qu'un monde qu'il appelait Planète X attendait d'être découvert bien au-delà de l'orbite de Neptune. Les convictions de Lowell ont déclenché une course de plusieurs décennies pour trouver cette planète X et ont abouti à la découverte de Pluton en 1930. Mais Pluton était trop petit pour expliquer ce que Lowell a vu dans les petites bizarreries des orbites d'Uranus et de Neptune.

Dans d'autres revues, la planète voyou est appelée Tyché, mais a toujours l'orbite allongée inclinée par rapport au plan général du système solaire. Son modèle d'orbite elliptique de 3600 ans reste généralement dans le Ceinture de Kuiper, mais en dehors du système solaire, a tenu la planète 9 pendant des milliers d'années. Des analyses ont montré que des orbites éloignées au sein de la population dispersée de la ceinture de Kuiper présentent un regroupement inattendu dans leurs orbites de périhélie. Les orbites lointaines Objets de la ceinture de Kuiper, KBO, cluster dans l'alignement du périhélie, ainsi que dans l'espace physique.

Les chercheurs de Caltech ont trouvé des preuves d'une planète géante avec une orbite très allongée dans le système solaire externe. L'objet a une masse environ 10 fois supérieure à celle de la Terre et orbite 20 fois plus loin du soleil en moyenne que Neptune (2,8 milliards de kilomètres du soleil). Cela prendrait Tyché, entre 10 000 et 20 000 ans pour faire une orbite complète. Konstantin Batygin et Mike Brown ont découvert l'existence de la planète grâce à la modélisation mathématique. Ils n'ont pas encore vu la planète de leurs propres yeux. "Ce serait une vraie neuvième planète", dit Brown. « Il n'y a eu que deux vraies planètes découvertes depuis l'Antiquité, et ce serait une troisième. C’est une partie assez importante de notre système solaire qui est encore à découvrir, ce qui est assez excitant. »

Brown dit que la neuvième planète est 5 000 fois la masse de Pluton, et il aurait être une vraie planète. Planet Nine domine gravitationnellement une immense région du système solaire. Batygin et Brown décrivent leur travail dans le Journal d'astronomie, et montrez comment Planet Nine affecte les orbites dans le Ceinture de Kuiper. "Bien que nous étions au départ assez sceptiques quant à l'existence de cette planète, alors que nous continuions à étudier son orbite et ce que cela signifierait pour le système solaire extérieur, nous sommes de plus en plus convaincus qu'elle existe", dit Batygine. « Pour la première fois depuis plus de 150 ans, il existe des preuves solides que le recensement planétaire du système solaire est incomplet. »

Incroyablement, 13 des objets les plus éloignés de la Ceinture de Kuiper avoir une orbite étrange. Cela suggérait directement la possibilité d'une petite planète. Assez rapidement, Batygin et Brown ont réalisé que les six objets les plus éloignés de la collection originale suivaient tous des orbites elliptiques pointant dans la même direction. Les points les plus éloignés de leurs orbites se déplacent autour du système solaire à des vitesses différentes. Mais les orbites des six objets sont également toutes inclinées dans le même sens, pointant environ 30 degrés vers le bas par rapport au plan des huit planètes connues, avec une probabilité de seulement 0,007%. « En gros, cela ne devrait pas arriver au hasard » dit Brown. "Nous avons donc pensé que quelque chose d'autre devait façonner ces orbites."

Une conséquence prédite de Planet Nine est qu'un deuxième ensemble d'objets confinés devrait également exister. Ces objets sont forcés dans des positions perpendiculaires à la planète neuf et dans des orbites perpendiculaires au plan du système solaire. Cinq objets connus (en bleu) correspondent précisément à cette prédiction.
Crédit : Caltech/R. Hurt (IPAC) [Schéma du télescope mondial.]

Les six objets connus les plus éloignés du système solaire avec des orbites au-delà de Neptune (magenta) s'alignent tous mystérieusement dans une seule direction. De plus, lorsqu'elles sont vues en trois dimensions, elles s'inclinent presque loin du plan du système solaire. Batygin et Brown montrent une planète avec une masse de 10x de la terre dans une orbite excentrique éloignée anti-alignée avec les six autres objets (orange) est nécessaire pour maintenir cette configuration. Preuve d'une neuvième planète Konstantin Batygin de Caltech, professeur de sciences planétaires, et Mike Brown de Planetary Astronomy, discutent d'une planète géante traçant une orbite bizarre et très allongée dans le système solaire externe.

Crédit : Caltech/R. Hurt (IPAC) [Schéma du télescope mondial.]

La première option envisagée était suffisamment éloignée Ceinture de Kuiper objets nécessaires pour maintenir la sous-population en cluster. Cela a été rapidement exclu sachant qu'ils comprenaient le Ceinture de Kuiper avoir plus de 100 fois sa masse actuelle. Leur premier réflexe fut d'exécuter des simulations impliquant une planète sur une orbite lointaine les six Ceinture de Kuiper objets. Ensuite, Batygin et Brown ont remarqué s'ils effectuaient leurs simulations avec une planète massive sur une orbite anti-alignée, la lointaine Ceinture de Kuiper les objets assumaient également l'alignement.

De toute évidence, la géométrie orbitale ne peut pas être correcte. Cela ne peut pas être stable à long terme car la planète et ces objets finiraient par entrer en collision. Mais grâce à un mécanisme appelé résonance de mouvement moyen, l'orbite anti-alignée de la neuvième planète empêche en fait Ceinture de Kuiper objets d'entrer en collision. Pour toutes les quatre orbites que fait Planet Nine, un lointain Ceinture de Kuiperl'objet pourrait compléter neuf orbites - mais pas de collisions. Au lieu de cela, Planet Nine déplace légèrement les orbites de Ceinture de Kuiper objets préservant la planète. Batygin n'avait jamais rien vu de tel en mécanique céleste.

L'existence de Planet Nine explique l'alignement de Kuiper Belt objets et orbites mystérieuses que deux d'entre eux ont. Le premier de ces objets, baptisé Sedna, a été découvert par Brown en 2003. Contrairement à la variété standard Ceinture de Kuiper objets, il ne s'approche jamais très près de Neptune. Un deuxième objet, appelé 2012 VP113, a été annoncé en 2014.

Décrit dans le Journal astronomique, la signature gravitationnelle d'une grande planète est inscrite dans les orbites particulières de ces mondes. Celles-ci Ceinture de Kuiper oLes objets tracent des cercles étranges autour du soleil, ce qui laisse perplexe les scientifiques du monde entier. Il a été calculé que la planète 9 serait 10 fois plus massive que la Terre et trois fois plus grande. Un type de planète que la galaxie est incroyablement efficace à assembler, mais qui a été manifestement absente de notre propre système solaire. "Cette chose est sur une orbite exceptionnellement glaciale et à longue période, et prend probablement de l'ordre de 20 000 ans pour faire une révolution complète autour du soleil", dit Konstantin Batygin de Caltech.

Structure simulée de la planète candidate 9.

Crédit : © Esther Linder, Christoph Mordasini, Universität Bern

Brown et Batygin savent avec optimisme Planète neuf seront retrouvés dans moins de cinq ans.


Un million de planètes autour d'un trou noir

Dans le scénario précédent, chaque planète était seule sur son orbite autour du trou noir supermassif. Raymond a également modélisé ce qui se passerait si plusieurs planètes partageaient une orbite autour d'un trou noir d'un million de soleils. Auparavant, Raymond avait calculé que 42 planètes de masse terrestre pouvaient orbiter dans un anneau à 1 UA du soleil.

Pour avoir un anneau de planètes stable, Raymond a noté que les planètes de cet anneau doivent toutes avoir à peu près la même masse. Il doit également y avoir au moins sept planètes dans un tel anneau, et elles doivent être régulièrement espacées le long d'une orbite circulaire.

Étant donné un trou noir d'un million de soleil avec un anneau en orbite de neuf étoiles semblables au soleil, Raymond a calculé qu'un million de planètes de la masse terrestre pourraient orbiter dans la zone habitable en 400 anneaux, chacun contenant 2 500 planètes espacées d'environ la même distance que cela. entre la Terre et la Lune. Dans ce scénario, les planètes mettraient à nouveau entre 1,6 et 4,6 jours pour terminer une orbite. [Les trous noirs les plus étranges de l'univers]

Au lieu de placer neuf étoiles semblables au soleil entre le trou noir et les planètes, Raymond a également suggéré de placer 36 étoiles semblables au soleil dans un anneau de 6 UA de large. Dans ce scénario, "chaque planète est baignée de soleil de tous les côtés et les planètes n'ont pas de côté nuit", a déclaré Raymond. "C'est comme la planète de jour permanente d'Asimov, Kalgash."

"Vous ne vous sentiriez jamais seul dans ces systèmes et les autres planètes apparaîtraient énormes dans le ciel", a ajouté Raymond. Les planètes voisines seraient environ 10 fois plus proches que la Lune de la Terre, ce qui signifie qu'elles apparaîtraient "environ 40 fois plus grandes dans le ciel que la pleine lune", a déclaré Raymond. "C'est à peu près la taille d'un ordinateur portable tenu à portée de main, seulement dans le ciel."

Dans ce dernier scénario, les planètes seraient beaucoup plus proches du trou noir, chacune achevant une orbite en à peine 9 heures. Cela signifie qu'ils orbiteraient à des vitesses extraordinaires et environ 10 % de la vitesse de la lumière. Selon la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, le temps semble se déplacer sensiblement plus lentement à mesure que l'on se rapproche de la vitesse de la lumière, donc "deux bébés nés au même instant sur des anneaux différents vieilliraient à des rythmes légèrement différents", a déclaré Raymond. "Le bébé sur l'anneau intérieur vieillirait un peu plus lentement."

Les différences de vitesse entre les anneaux seraient suffisamment importantes pour empêcher probablement un vaisseau spatial de se déplacer d'un anneau à un autre avec la technologie actuelle, a déclaré Raymond. Cependant, chaque monde partagerait son anneau avec des milliers d'autres, et la vitesse relative entre planètes voisines serait presque nulle. "Un ascenseur spatial pourrait connecter des planètes", a déclaré Raymond.

Si chaque paire de planètes voisines le long d'un anneau donné était connectée, cela ressemblerait à un "Ringworld", une gigantesque mégastructure extraterrestre dans l'épopée de science-fiction de Larry Niven du même nom. "La différence entre cette configuration et le" Ringworld "du livre de Larry Niven est que, dans ce cas, il n'y a pas de surface habitable entre les planètes", a déclaré Raymond.

D'où pourraient provenir ces systèmes à un million de planètes ? "Je peux imaginer des extraterrestres super avancés créant un système comme le système solaire d'un million de Terre comme une œuvre d'art cosmique, un peu comme l'art des gratte-ciel ou des icebergs peints", a déclaré Raymond. « Une façon de dire : « Regardez comme nous sommes chics », à la plus grande échelle. »

"Ou peut-être que des extraterrestres créeraient ce genre de système en tant que zoo", a déclaré Raymond. "Ils pourraient avoir un gradient de climats du plus chaud au plus froid, et approvisionner les planètes avec toutes sortes de créatures qu'ils collectent à travers l'univers. Bien sûr, ils devraient faire attention à ne pas mettre les mauvaises combinaisons de créatures spatiales sur le même anneau de planètes, parce que ça ne finirait pas bien."

Dans l'ensemble, "il est utile d'essayer de trouver tous les systèmes planétaires possibles qui pourraient exister", a déclaré Raymond. "Certaines découvertes auraient pu être anticipées en 'y allant' et en imaginant des possibilités bien en dehors de la norme. Ces systèmes sont une combinaison de science-fiction et d'"aller là-bas" dans ce sens."

"La principale chose que je fais est simplement d'essayer de repousser les limites de ce que nous pensons être possible", a conclu Raymond.


Oui, deux planètes peuvent partager la même orbite

Malgré les dangers posés à la planète Terre par une frappe de comète ou d'astéroïde, notre système solaire est en fait un endroit incroyablement stable. Nos huit planètes devraient rester sur leur orbite, de manière stable, aussi longtemps que le Soleil restera une étoile normale de la séquence principale. Mais ce n'est pas nécessairement le cas pour tous les systèmes solaires.

Si deux planètes se croisent étroitement en orbite, l'une peut perturber l'autre, entraînant un changement orbital massif. Ces deux planètes pourraient entrer en collision, l'une d'entre elles pourrait être éjectée, ou une pourrait même être projetée dans leur étoile centrale. Mais il y a une autre possibilité : ces deux planètes pourraient partager avec succès une seule orbite ensemble, restant indéfiniment en orbite autour de leur étoile mère. Cela peut sembler contre-intuitif, mais notre système solaire offre un indice sur la façon dont cela pourrait se produire.

Selon l'Union astronomique internationale (UAI), il y a trois choses qu'un corps en orbite doit faire pour être une planète :

  1. Il doit être en équilibre hydrostatique ou avoir une gravité suffisante pour lui donner une forme sphéroïdale. (En d'autres termes, une sphère parfaite, plus tous les effets de rotation et autres la déforment.)
  2. Il doit être en orbite autour du Soleil et non d'un autre corps (par exemple, il ne peut pas orbiter autour d'une autre planète).
  3. Et il doit dégager son orbite de tout planétésimaux, proto-planètes ou concurrents planétaires.

Cette dernière définition, à proprement parler, exclut deux planètes partageant la même orbite, puisque l'orbite ne serait pas dégagée s'il y en avait deux.

Heureusement, nous ne sommes pas liés par la définition discutable de l'IAU en considérant les planètes co-orbitantes. Nous pouvons plutôt choisir de nous demander s'il serait possible d'avoir deux planètes semblables à la Terre qui partagent la même orbite autour de leur étoile. Le gros souci, bien sûr, est la gravitation.

La gravitation est capable de ruiner une orbite double de l'une des deux manières que nous avons imaginées plus tôt :

  1. une interaction gravitationnelle peut « donner un coup de pied » très fort à l'une des planètes, l'envoyant soit dans le soleil, soit hors du système solaire,
  2. ou l'attraction gravitationnelle mutuelle des deux planètes peut les faire fusionner, entraînant une collision spectaculaire.

Dans les simulations que nous exécutons pour modéliser les formations de systèmes solaires à partir de disques protoplanétaires, ces deux effets sont extrêmement fréquents.

Ce dernier cas est, en fait, quelque chose qui a pu arriver à la Terre alors que le système solaire n'avait que quelques dizaines de millions d'années ! There was definitely a collision, some 4.5 billion years ago, that resulted in the formation of our modern Earth-Moon system. In addition, it very likely caused a major resurfacing event on our planet even the oldest rocks we find on Earth are not as old as the oldest meteorites, likely of asteroidal origins, that we’ve discovered.

Two planets don’t do a great job of occupying the same exact orbit, however, because there’s no such thing as true stability in these cases. The best you can do is hope for a quasi-stable orbit. In this context, quasi-stable means that technically, on infinitely long timescales, everything is unstable, and these planets will play a game of Thunderdome: where at most one will remain.

However, you can obtain configurations that will sustain themselves billions of years before one of those two “bad” events occurs. To understand how, you need to take a look at the above diagram, and in particular at the five labeled (in green) points: Lagrange points.

If you only considered two masses — the Sun and a single planet — there are five specific points where the gravitational effects of the Sun and the planet cancel out, and all three bodies move in a stable orbit forever. Unfortunately, only two of these Lagrange points, L4 and L5, are stable anything that starts out at the other three (L1, L2, or L3) will unstably move away, winding up either colliding with the main planet or getting ejected.

But L4 and L5 are the points around which asteroids collect. The gas giant worlds all have thousands, but even Earth has one: the asteroid 3753 Cruithne, which is presently in a quasi-stable orbit with our world!

Although this asteroid in particular isn’t stable on billion-year timescales, it is definitely possible for two planets to share an orbit just like this. It’s also possible to have a binary planet, which would be a lot like the Earth/Moon system (or the Pluto/Charon system), except with no clear “winner” as to who’s the planet and who’s the moon. If you had a system where two planets were comparable in mass/size, and only separated by a short distance, you could have what’s known as either a binary or double planet system. Recent studies indicate that this is legitimately possible.

But there’s one more way to do it, and this is something you might not have thought was stable: you can have two planets of comparable mass in two separate orbits, one interior to the other, where the orbits swap periodically as the inner world overtakes the outer world. You might think this is crazy, but our Solar System has an example where this happens: two of Saturn’s Moons, Epimetheus and Janus.

Every four years, whichever moon is interior (closer to Saturn) comes to overtake the exterior one, and their mutual gravitational pull causes the inner moon to move outward, while the outer moon moves inward, and they swap.

Over the past 25 years, we’ve observed these two moons dance quite a bit, with the configurations repeating themselves without perceptible changes over an eight year period. As far as we can tell, this configuration is not just stable on human timescales, but ought to be stable over the lifetime of our Solar System.

Resonances appear in many different ways in planetary dynamics, including the way that Neptune affects the distribution of Kuiper belt objects, the way that Jupiter’s moons Io, Europa, and Ganymede obey a simple 1:2:4 orbital pattern, and in how Mercury’s rotational speed and orbital motion obey a 3:2 resonance.

It’s no surprise that planetary orbits might also obey an orbit-swapping resonance, with Janus and Epimethius providing a spectacular example. You might object that these are moons around a planet, not planets around a star, but gravity is gravity, mass is mass, and orbits are orbits. The exact magnitude is the only difference, while the dynamics can be extremely similar.

Considering that we now know of exoplanetary systems that exist in great abundance around M-class, red dwarf stars, and that they appear analogous to either the Jovian or Saturnian systems, In other words, it’s totally conceivable that we’d have a planetary system somewhere in our galaxy with two planets (rather than moons) that do exactly this!

The unfortunate news, at least for now, is that out of the thousands of discovered planets around other stars, we don’t have any binary planet candidates yet. There was one candidate that was announced in the early days of the Kepler mission, but it was retracted, as one of the co-orbiting planetary candidates was discovered to actually have twice the period of the main planet. But absence of evidence is not evidence of absence. These co-orbiting planets may be rare, but with more and better data, we fully expect to find them.

Give us a better planet-finding telescope, a million stars with planets around them, and about 10 years of observing time. With facilities like those, we’d likely find examples of all three possible examples of planet-sharing orbits. The laws of gravity and our simulations tell us they ought to be there. The only step left is to find them.


Why these astronomers now doubt there’s a Planet Nine

An artist’s concept of a hypothetical planet with a distant sun. Image via Shutterstock/ The Conversation.

Planet Nine is a theoretical, undiscovered giant planet in the mysterious far reaches of our solar system.

The presence of Planet Nine has been hypothesized to explain everything from the tilt of the sun’s spin axis to the apparent clustering in the orbits of small, icy asteroids beyond Neptune.

But does Planet Nine actually exist?

Discoveries at the edge of our solar system

The Kuiper Belt is a collection of small, icy bodies that orbit the sun beyond Neptune, at distances larger than 30 AU (one astronomical unit or AU is the distance between the Earth and the sun). These Kuiper Belt objects (KBOs) range in size from large boulders to 1,200 miles (2,000 km) across. KBOs are leftover small bits of planetary material that were never incorporated into planets, similar to the asteroid belt.

After Pluto, the second Kuiper Belt Object – 1992 QB1 – was discovered in 1992 by American astronomers David Jewitt and Jane Luu using the 2.2-m telescope at Mauna Kea in Hawaii. Image via la NASA.

The discoveries from the most successful Kuiper Belt survey to date, the Outer Solar System Origins Survey (OSSOS), suggest a sneakier explanation for the orbits we see. Many of these KBOs have been discovered to have very elliptical and tilted orbits, like Pluto.

Mathematical calculations and detailed computer simulations have shown that the orbits we see in the Kuiper Belt can only have been created if Neptune originally formed a few AU closer to the sun, and migrated outward to its present orbit. Neptune’s migration explains the pervasiveness of highly elliptical orbits in the Kuiper Belt, and can explain all the KBO orbits we’ve observed, except for a handful of KBOs on extreme orbits that always stay at least 10 AU beyond Neptune.

Proof of Planet Nine?

These extreme orbits have provided the strongest evidence for Planet Nine. The first few that were discovered were all confined to one quadrant of the solar system. Astronomers expect to observe orbits at all different orientations, unless there is an outside force confining them. Finding several extreme KBOs on orbits pointed in the same direction was a hint that something was going on. Two separate groups of researchers calculated that only a large, very distant planet could keep all the orbits confined to part of the solar system, and the theory of Planet Nine was born.

Planet Nine is theorized to be five to 10 times as massive as Earth, with an orbit ranging between 300-700 AU. There have been several published predictions for its location in the solar system, but none of the search teams have yet discovered it. After more than four years of searching, there is still only indirect evidence in favor of Planet Nine.

The search for KBOs

Searching for KBOs requires careful planning, precise calculations and meticulous followup. I am part of the OSSOS, a collaboration of 40 astronomers from eight countries. We used the Canada-France-Hawaii Telescope over five years to discover and track more than 800 new KBOs, nearly doubling the number of known KBOs with well-measured orbits. The KBOs discovered by OSSOS range in size from a few kilometers to over 100 km (60 miles), and range in discovery distance from a few AU to over 100 AU, with the majority at 40-42 AU in the main Kuiper Belt.

KBOs do not emit their own light: these small, icy bodies only reflect light from the sun. Thus, the biases against detection at larger distances are extreme: if you move a KBO 10 times farther away, it will become 10,000 times fainter. And because of the laws of physics, KBOs on elliptical orbits will spend most of their time at the most distant parts of their orbits. So, while it is easy to find KBOs on elliptical orbits when they are close to the sun and bright, these KBOs spend most time being much fainter and harder to detect.

This means that the KBOs on elliptical orbits are particularly hard to discover, especially the extreme ones that always stay relatively far from the sun. Only a few of these have been found to date and, with current telescopes, we can only discover them when they are near pericenter – the closest point to the sun in their orbit.

This leads to another observation bias that has historically been ignored by many KBO surveys: KBOs in each part of the solar system can only be discovered at certain times of year. Ground-based telescopes are additionally limited by seasonal weather, with discoveries less likely to happen during when cloudy, rainy or windy conditions are more frequent. Discoveries of KBOs are also much less likely near the plane of the Milky Way galaxy, where countless stars make it difficult to find the faint, icy wanderers in telescopic images.

What makes OSSOS unique is that we are very public about these biases in discoveries. And because we understand our biases so well, we can use computer simulations to reconstruct the true shape of the Kuiper Belt after removing these biases.

Adjusting for biases

OSSOS discovered a handful of new extreme KBOs, half of which are outside the confined region, and are statistically consistent with a uniform distribution. A new study (currently in review) corroborates the non-clustered discoveries of OSSOS. A team of astronomers using data from the Dark Energy Survey (DES) found over 300 new KBOs with no clustering of orbits. So now two independent surveys – both of which carefully tracked and reported their observational biases in discovering independent sets of extreme KBOs – have found no evidence for clustered orbits.

All known KBOs with orbits larger than 250 AU. The orbits of KBOs discovered by OSSOS and DES are in many directions previous surveys with unknown biases discovered them in the same direction. This image was produced using public data from the Minor Planet Center Database. Image via Samantha Lawler/ The Conversation.

All of the extreme KBOs that had been discovered prior to OSSOS and DES were from surveys that did not fully report their directional biases. So we do not know if all these KBOs were discovered in the same quadrant of the solar system because they are actually confined, or because no surveys searched deep enough in the other quadrants. We performed additional simulations that showed that if observations are made only in one season from one telescope, extreme KBOs will naturally only be discovered in one quadrant of the solar system.

Further testing the Planet Nine theory, we looked in detail at the orbits of all known “extreme” KBOs and found that all but the two highest pericenter KBOs can be explained by known physical effects. These two KBOs are outliers, but our previous detailed computer simulations of the Kuiper Belt, which included gravitational effects from Planet Nine, produced a set of “extreme” KBOs with pericenters smoothly ranging from 40 to over 100 AU.

These simulations predict that there should be many KBOs with pericenters as large as the two outliers, but also many KBOs with smaller pericenters, which should be much easier to detect. Why don’t the orbit discoveries match the predictions? The answer may be that the Planet Nine theory does not hold up to detailed observations.

Our observations with a careful survey have discovered KBOs that are not confined by Planet Nine, and our simulations show that the Kuiper Belt should contain different orbits than we observe if Planet Nine exists. Other theories must be invoked to explain the high-pericenter extreme KBOs, but there is no lack of proposed theories in the scientific literature.

Many beautiful and surprising objects remain to be discovered in the mysterious outer solar system, but I don’t believe that Planet Nine is one of them.

This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Lire l'article original.


Can Toroid Planets Exist?

It is not obvious that a toroid planet is stable.

For all practical purposes planets are liquid blobs with no surface tension: the strength of rock is nothing compared to the weight of a planet. Their surfaces will be equipotential surfaces of gravity plus centrifugal potential. If they were not, there would be some spots that could reduce their energy by flowing to a lower potential. Another obvious fact is that there exists an upper rotation rate beyond which the planet falls apart: the centrifugal force at the equator becomes larger than gravity and material starts to flow into space.

The equilibrium shapes of self-gravitating rotating ellipsoidal planets have been extensively analyzed . Newton started it (leading to some early heroic expeditions to ascertain the true shape of Earth), and Maclaurin refined it. Then Jacobi discovered that high rotation rates ellipsoids with unequal axes were more stable than the oblate ellipsoids of Maclaurin. Chandrasekar has a nice history of the field . Since then computers have become available, and analytical and numerical calculations of more complex or the relativistic case have been performed.

Similarly, equilibrium states of self-gravitating toroid shapes have been examined by Poincare, Kowalewsky and Dyson ( Dyson 1893 , Dyson 1893b ). Indeed, one can at least in theory spin up an ellipsoidal planet into a ring , although there is plenty of potential for complex wobbles that destabilize the whole system and it looks like there is a "jump" to the ring state. The ring may itself be unstable, in particular to a "bead" instability where more and more mass accumulates at some meridians than others, leading to breakup into two or more orbiting blobs. Dyson analysed this case and found it relevant when the major radius / minor radius > 3 – thin hoops are unstable. There is also a lower rotation rate where the ring become unstable to tidal forces and implodes into a " hamburger " or ellipsoid. So the total mass and angular momentum needs to be in the right region from the start.

It looks like a toroid planet is not forbidden by the laws of physics. It is just darn unlikely to ever form naturally, and likely will go unstable over geological timescales because of outside disturbances. So if we decide to assume it just is there, perhaps due to an advanced civilization with more aesthetics than sanity , what are its properties?

How to Measure the Power of Alien Civilizations Using the Kardashev Scale

We have yet to make contact with an extraterrestrial civilization. If they're out there — and…


Why are the planets so different?

If you were to take the eight planets in our solar system and look at them as a whole, there would be two obvious groupings. The first of these are the giant planets, which are well deserving of their names - hundreds of times larger than the others and with thousands of times more mass.

The planets of our solar system, to scale by size. Credit: Wikimedia Commons

The spectacular contrast between the four giants (Jupiter, Saturn, Uranus and Neptune) and the other planets is fairly easy to explain. Before the planets were formed, all the material which they now contain was spread out in a giant ‘protoplanetary disc’.

Artist's impression of a protoplanetary disc.
Image credit: Wikimedia commons
The four ‘gas giants’ formed outside the ‘snow line’ of our early solar system, where it was cold enough to allow the relatively abundant volatile substances like water or ammonia to condense out. This gave the first baby planets in this region of the disc plenty of liquid and solid material to sweep up to form bigger and bigger planets in a process called accretion. This process is a runaway one: gaining more mass means more gravity means gaining more mass. And hence we get the giant planets, huge balls of gaseous material that (we think) contain some kind of rocky or metallic core at their centre. Some questions remain about their formation, particularly about their potential travels throughout the disc early in their lives, but that’s not what we’re here to look at right now.

Instead, let’s look at the planets we swept aside earlier, otherwise known as the terrestrial planets - Mercury, Venus, Earth and Mars. These planets share many similarities, but have many striking differences as well. The terrestrial planets are all formed of essentially the same 'stuff': silicate minerals and heavy iron cores, elements that could exist as solids and liquids in the warm early inner solar system, so in essence they are all made of rock. Their exact composition varies slightly, perhaps due to the distribution of different materials in the early solar disk, but we can consider them essentially the same.

The terrestrial planets close up, to scale in size. Notice how different they look at first glance.
Image Credit: Wikimedia commons

Venus, Earth and Mars also have similar proportions of volatile elements (material which become gas at comparably low temperatures, like water) - those substances that the giant planets have plenty of, but that the terrestrial planets must have collected later in their lives (exactly where from being a big question in planetary science, with cometary impacts being a likely candidate). Measurements and estimations of the volatile inventories of these three planets show them to have roughly the same proportions of things like water and carbon, even though they might be contained within different types of reservoir - in some cases the atmospheres, in others the rocks. Here we see the first striking difference. Mercury, the closest planet to the Sun, is too small and far, far too hot to retain a substantial atmosphere, and the incessant solar radiation it receives has stripped away any atmosphere that it may have once had. The lack of atmosphere means that Mercury undergoes massive temperature variations between its dark and sun-ward facing sides.

Why the terrestrial planets are the size they are is something of a mystery. It may simply be chance - that the particular planetesimals that formed them were larger or smaller - or it may have been due to the specific distribution of material in the solar nebula. But Mercury is the smallest, and combined with being so close to the Sun, this means it has next to no atmosphere.

The surfaces of Venus, Earth, and Mars. At this scale the planets look more similar than different.
Image credits: Roscosmos, the Author, NASA

Mars is the next largest, and has a thin, but definitely present, atmosphere, mainly composed of carbon dioxide. Venus and Earth are almost identical in size, and in fact are nearly twins in many more ways, but the two most similar planets look incredibly different to a casual observer. Venus, shrouded in clouds and acid haze, is the hottest place in the solar system, with an atmosphere so thick it could crush you many times over. Compared to Earth, Venus is a hellish world, while Mars is cold and dead. But under slightly different circumstances, these three planets might have been much more similar.

Since Venus and Earth are almost exactly the same size, it cannot have been the strength of their gravity that caused the difference. Instead, as Venus is slightly closer to the Sun, it was probably just a bit hotter than Earth in its youth, and if it didn’t have such a thick atmosphere it probably would still only be that little bit hotter. Yet the dense, sulphurous, carbon dioxide atmosphere causes an intense greenhouse effect, heating the whole planet up to several hundred degrees. The thick atmosphere traps this heat and distributes it all round the planet, creating the nightmare environment we see today.

We don't know why, but the super-hurricane force winds on Venus are getting even stronger
Image credit: ESA/MPS/DLR/IDA
An important question then is where Venus got this tremendously thick atmosphere from. In fact, it may have been that the small difference in temperature from being slightly closer to the Sun is enough to have a massively disproportionate effect. The carbonate-silicate cycle, which governs the conversion between these two types of rock, is strongly dependent on temperature. Higher temperatures tend to mean that more silicate minerals are formed, along with the release of carbon dioxide. This carbon dioxide is a strong greenhouse gas, meaning that its release will increase the temperature a little more, initiating a vicious circle that has left Venus such an unappealing place to travel to. If Venus had any oceans early in its history, their evaporation would have compounded the effect, as water vapour is also an incredibly strong greenhouse gas.

The Earth, slightly further away from the Sun and therefore slightly cooler, has undergone the opposite - most of the carbon on our planet is locked away in carbonate rocks, leaving our atmosphere relatively clear of it (though this would not have been true in certain periods of our planet’s past). In fact, we need a little bit of greenhouse warming to make our planet anything other than a frigid, ice-covered world.

Mars is at the other end of the scale. Further away from the Sun, and slightly smaller (which meant it will have cooled down quicker), it is now a cold, dead world. Its thin carbon dioxide atmosphere offers little to no warming effect, since most of it has been lost to the ravaging effects of the solar wind.

Our Earth sits in a potentially precarious place - could the input of carbon dioxide and other greenhouse gases into our atmosphere turn us one day into another Venus, or will our planet suffer the same fate as Mars and end up cold and dead?

EDIT (July 2014):
This article is now also available as an animated video on our YouTube channel, created by students at Sheffield Hallam University, through our membership of the Venture Matrix scheme.

This guest blog is a part of our World Space Week series, and was written by Adam Stevens - a research student in Planetary and Space Sciences at the Open University's Department of Physical Sciences. He is generally found simulating martian environments in support of the ESA ExoMars 2016 Trace Gas Orbiter mission but can also be found wittering away on his website or twittering away on twitter as @adamhstevens.

Over the course of the next few days, we'll be taking a closer look at some of the secrets these planets are hiding, and at the space missions that have been sent to help uncover them.

[1] Kieffer, H. H., Jakosky, B. M., Snyder, C. W. and Matthews, M. S. (eds.) (1992) Mars, University of Arizona Press, Tuscon.
[2] Marov, M. I. A. and Grinspoon, D. H. (1998) The Planet Venus, Yale University Press.
[3] Rothery, D. A., McBride, N. and Gilmour, I. (2011) An Introduction to the Solar System, Cambridge University Press.


What if the earth had two moons?

The Earth and Moon as seen from Mariner 10 en route to Venus. This could be a similar view of two moons as seen from Earth. Crédit image : NASA

The idea of an Earth with two moons has been a science fiction staple for decades. More recently, real possibilities of an Earth with two moon have popped up. The properties of the Moon’s far side has many scientists thinking that another moon used to orbit the Earth before smashing in to the Moon and becoming part of its mass. Since 2006, astronomers have been tracking smaller secondary moons that our own Earth-Moon system captures these metre-wide moons stay for a few months then leave.

But what if the Earth actually had a second permanent moon today? How different would life be? Astronomer and physicist Neil F. Comins delves into this thought experiment, and suggests some very interesting consequences.

Our Earth-Moon system is unique in the solar system. The Moon is 1/81 the mass of Earth while most moons are only about 3/10,000 the mass of their planet. The size of the Moon is a major contributing factor to complex life on Earth. It is responsible for the high tides that stirred up the primordial soup of the early Earth, it’s the reason our day is 24 hours long, it gives light for the variety of life forms that live and hunt during the night, and it keeps our planet’s axis tilted at the same angle to give us a constant cycle of seasons.

A second moon would change that.

This shot of Io orbiting Jupiter shows the scale between other moons and their planet. Crédit image : NASA

For his two-mooned Earth thought experiment, Comins proposes that our Earth-Moon system formed as it did — he needs the same early conditions that allowed life to form — before capturing a third body. This moon, which I will call Luna, sits halfway between the Earth and the Moon.

Luna’s arrival would wreak havoc on Earth. Its gravity would tug on the planet causing absolutely massive tsunamis, earthquakes, and increased volcanic activity. The ash and chemicals raining down would cause a mass extinction on Earth.

But after a few weeks, things would start to settle.

Luna would adjust to its new position between the Earth and the Moon. The pull from both bodies would cause land tides and volcanic activity on the new moon it would develop activity akin to Jupiter’s volcanic moon Io. The constant volcanic activity would make Luna smooth and uniform, as well as a beautiful fixture in the night sky.

The Earth would also adjust to its two Moons, giving life a chance to arise. But life on a two-mooned Earth would be different.

The combined light from the Moon and Luna would make for much brighter nights, and their different orbital periods will mean the Earth would have fewer fully dark nights. This will lead to different kinds of nocturnal beings nighttime hunters would have an easier time seeing their prey, but the prey would develop better camouflage mechanisms. The need to survive could lead to more cunning and intelligent breeds of nocturnal animals.

A scale comparison of the Earth, the Moon, and Jupiter's largest moons (the Jovian moons). Image credit:Image Credit: NASA

Humans would have to adapt to the challenges of this two-mooned Earth. The higher tides created by Luna would make shoreline living almost impossible — the difference between high and low tides would be measured in thousands of feet. Proximity to the water is a necessity for sewage draining and transport of goods, but with higher tides and stronger erosion, humans would have to develop different ways of using the oceans for transfer and travel. The habitable area of Earth, then, would be much smaller.

The measurement of time would also be different. Our months would be irrelevant. Instead, a system of full and partials months would be necessary to account for the movement of two moons.

Eventually, the Moon and Luna would collide like the Moon is now, both moons would be receding from Earth. Their eventual collision would send debris raining through Earth’s atmosphere and lead to another mass extinction. The end result would be one moon orbiting the Earth, and life another era of life would be primed to start.