Yer, Yupiter ve Saturnnı yan yana qoyayıq. Yupiterniñ orta radiusı Yerniñkinden taqriben on bir kere, kütlesi ise 318 kere büyük. Saturn ölçüce biraz kiçik, amma kütlesi bayağı az: taqriben 95 Yer kütlesi. Resimdeki pek büyük disk planetada ne qadar madde olğanını köstermey. JPL: planetalarnıñ radiusları ve kütleleri.

Yupiter ve Saturn Küneş sistemasınıñ şekillenüviniñ ilk devrinde pek büyük hidrogen ve geliy örtülerini toplağanı içün devge çevirildi. Esas modelge köre, olarnıñ taş-buz ceninleri yaş Küneş etrafında daa çoq gaz bar eken ösken. Çekilgen örtü issilikni berip, sıqışqan ve yañı gaz toplamağa imkân bulğan. Tek suvuqlıq ya da Küneşten uzaqlıq bunıñ içün yeterli degil edi. NASA: planetalar nasıl şekillene, Ikoma ve Kobayashi: gaz toplanuvınıñ fizikası.

Gaz zapası büyük edi, amma ebediy degil

Yaş Küneşni protoplanetar disk — gaz ve qattı zerreçiklerden ibaret aylanğan disk — sarıp alğan. Kelecek planetalar ondan ösken. Yer esasen taş ve metalden ibaret cisimge çevirilgen; Yupiter ve Saturnda ise kütleniñ büyük qismini yengil elementler — hidrogen ve geliy — teşkil ete. Şunıñ içün olarğa gaz devleri deyler. Bu ad terkibni añlata, bütün planetanıñ siyrek gaz alında olğanını bildirmey. NASA: Yupiter, NASA: Saturn.

Gaz zapası Küneş etrafında ebediy qalmadı. Yaş yıldız sistemalarınıñ közetüvleri gaz diskleriniñ ekseriyette tek bir qaç million yıl yaşağanını köstere. Bu, ösüv içün qısqa bir vaqıt aralığıdır: gaz dağılıp ketken soñ şekillengen büyük cenin diskten böyle bir örtü alamaz edi. «Bir qaç million» — adetteki vaqıt ölçeği, Saturnnıñ doğuvınıñ tam saati degil. Dawson ve Johnson: disklerniñ ömürleri ve özeklerniñ şekillenüvi.

Buz büyük ceninni toplamağa yardım etti

Diskniñ daa suvuq bölgelerinde suv qattı zerreçikler üstünde buz alında ola bile edi. Suv buzınıñ saqlanmasına şartlar imkân bergen sıñırğa suvnıñ qar çizgisi deyler. Anda taş maddesine buz qoşulğan: planetar ceninniñ ösüvi içün daa çoq qattı madde bar edi. Qar çizgisi disk şartlarına bağlı edi; o, bugünki eki planeta arasında areketsiz turğan sızıq degil. NASA: qar çizgisi ve gaz devleri.

Zerreçikler birleşken, büyük cisimler yañı madde tutqan ve ceninler kütle toplağan. Madde qoşuluvınen ösüvge akkretsiya deyler. Özekke akkretsiya modelinde evelâ ağır maddelerden büyük cenin öse, soñ onıñ etrafında gaz yavaş-yavaş toplana. Bu, onıñ bütün ilk terkibiy qisımları bugün de ayrı bir qattı küre alında yata demek degil.

Amma gaznı cazibe çekse, ne içün diskteki er bir kiçik taş Yupiterge çevrilmedi? Çünki maddeni yaqınğa çekmek ve büyük örtü toplamaq — farqlı vazifelerdir.

Gaz toplamaq içün issilikni bermek kerek

Cenin yanında toplanıp sıqışqan gaz qıza. Sıcaq örtüniñ basıncı sıqışuvğa qarşı tura. Örtü energiyanı qıyınlıqnen berse, etrafında gaz olsa bile, yañı gaznı yavaş toplay.

Örtü energiyanı nurlandırıp çıqarğanda, o sıqışa bile ve etraftaki diskten yañı gaz kele. Kütle artqan sayın örtüniñ öz cazibesi müimleşe. Belli şartlarda biri-birini quvetlendirgen protsess başlana: daa çoq gaz → daa küçlü cazibe → daa tez sıqışuv ve yañı gaz toplanuvı. Buña gaznıñ süratlenip barğan akkretsiyası deyler. Esas modelde bu devir ceninni kütlesiniñ büyük qısmı hidrogen ve geliyden ibaret planetağa çevirmege imkân bere.

«Tam on Yer kütlesine yetkende cazibe açıldı» degen umumiy açqıç yoq. Cazibe evel de tesir ete edi. Ösüv sürati ceninniñ kütlesine, issilikni berüvge, örtüniñ terkibine ve tüşken maddeniñ qızdırmasına bağlı. Ahırında diskten kelgen gaz miqdarı da ösüvni sıñırlay. Ikoma ve Kobayashi: suvuv, öz cazibesi ve ösüvniñ sıñırları.

Qol · Terenrekİhtiyariy · keçip ketmek mümkün

Yupiter ne içün Saturndan daa çoq topladı?

Soñki kütlege ösüvniñ vaqtı ve yeri, bar madde ve gaz aqımları tesir ete. Büyük planeta orbitası etrafındaki diskni deñiştire ve anda siyrek alqa şeklinde aralıq aça bile. Bu, gaz kelüvini deñiştire, amma onı tam qapatmay. Planeta disknen tesirleşip, orbitasını da deñiştire bile.

Şunıñ içün «Saturn tek biraz soñ doğdı» demek adden ziyade emin bir rekonstruktsiya olur edi. Biz bugünki kütlelerni bilemiz ve olarğa ketirgen olası senariylerni teşkeremiz. Devlerniñ şekillenüviniñ başqa mehanizmi de bar — büyük gaz diskiniñ öz cazibesi tesirinde topaqlarğa bölünüvi. Yupiter ve Saturnnı añlatmaq içün adette özekke akkretsiyadan başlanıla; olarnıñ tafsilâtlı keçmişi ve çeşit mehanizmlerniñ bütün ekzoplanetalarğa uyğunlığı daa araştırıla. Ikoma ve Kobayashi: mehanizmler ve açıq sualler.

Bulutlar altında Yerdeki kibi topraq yoq

Yupiter ya da Saturnğa baqqanda bulutlarnı köremiz. Olarnıñ altında basınç ve sıcaqlıq arta, hidrogen ise barğan sayın qoyu flüidge — aqa bilgen maddege — çevirile. Daa terende hidrogen elektrik toknı keçire, şunıñ içün oña metallik deyler. Bu, qattı metal qabığı degil. NASA: Yupiterniñ içindeki hidrogen.

Demek, gaz devi pek büyük boş bulut demek degil. Aynı zamanda, onda Marsqa qonğan kibi bir aparat qona bilgen elverişli qattı yüzey yoq. Tübe tüşüv teşebbüsi telükesiz tüpke degil, barğan sayın daa sert şartlarğa alıp barır edi. Şemada bölge saylamazdan evel tahmin etiñiz: terenlik artqanda madde daa qoyu ola mı, yoqsa daa siyrek mi?

Bulutlardan yayğın özekke qadar

Terenlik artqanda madde daa siyrek ola mı? Bir bölge saylap, basınçnıñ hidrogenni nasıl deñiştirgenini baqıñız. Klaviaturadaki oqlar ile saylavnı deñiştirmek mümkün.

Qaysı bölgeni ögreneceksiñiz?

1. Üst atmosfera

Biz hidrogen ve geliy atmosferasınıñ üstündeki bulutlarnı köremiz. Bular qattı qabıq degil. Tübe tüşken zond qonuv yerini degil, barğan sayın artqan basınç ve sıcaqlıqnı rast ketirer edi.

2. Molekulyar örtü

Tış gaz qatlamlarınıñ altında hidrogen qoyu flüidge çevirile. Flüid — aqa bilgen maddedir. Mında adetteki yalını ya da açıq okean yüzeyini tapmaq mümkün degil; maddeniñ hususiyetleri terenliknen deñişe.

3. Teren tok keçirici içki bölgeler

Pek büyük basınç altında hidrogen metal kibi elektrik toknı keçire başlay. «Metallik» qattı demek degil: madde sıcaq flüid olaraq qala. Tok keçirici maddeniñ areketi magnit meydanınıñ peyda olmasına yardım ete.

4. Ağır elementlerge zengin merkeziy bölge

Juno ve Cassini malümatlarına esaslanğan modeller hidrogen ve geliynen qarışqan ağır elementlerge daa zengin bölgege yavaş keçişni destekley. Yayğın sıñır boşluq demek degil. Maddeniñ dağılışı ve olası sıq merkeziy özek modelge bağlı qala.

Yupiter ve Saturnnıñ ortaq hususiyetleriniñ şeması; ekisinden biriniñ tam kesigi degil. Renkli bölgeler ölçüsi şartlı; sızıqlar qattı sıñırlarnı degil, saylavnı köstere. Terenlik ölçeği yoq. Menbalar: NASA, Juno, Mankovich & Fuller (2021).

Kütle ve ölçü — farqlı qıyaslamalar

Yer

Yupiter

Saturn

YerYupiterSaturn
Orta radius, km6.37169.91158.232
Kütle, Yer = 11317,8395,16
Orta yoğunlıq, g/cm³5,511,330,69

Yupiterniñ kütlesi Saturnnıñkinden taqriben 3,34 kere büyük, amma orta radiusı tek 1,20 kere büyük.

Daireler orta radiuslarnı bir umumiy sızıqlı ölçekte köstere. Saturnnıñ alqaları onıñ ölçüsine kirmey. JPL malümatınıñ yuvarlaqlanğan qıymetleri; bu orbitalar haritası degil. JPL: planetalar parametrleri.

Kesik altındaki qıyaslama daa bir hususiyetni köstere: Yupiterniñ kütlesi Saturnnıñkinden bayağı büyük, amma radiusları arasında farq nisbiy az. Gaz planeta sıqışa bile: qoşulğan kütle onıñ öz cazibesini küçlendirip, içki maddeni sıqıştıra. Onı aynı yoğunlıqnı saqlap, ava şarı kibi şişirmek mümkün degil. Terkip, sıcaqlıq ve suvuv keçmişi de radiusqa tesir ete; tek kütlege baqıp tam ölçüni tapmaq mümkün degil.

Qol · Formulalarnenİhtiyariy · keçip ketmek mümkün

Eki devniñ orta yoğunlığını nasıl qıyaslamaq mümkün

Orta yoğunlıq — kütleniñ hacimge bölüngenidir. M kütle, R ise aynı hacimli küreniñ radiusı olsa:

\bar\rho=\frac{M}{V}=\frac{3M}{4\pi R^3}.

Kütle kilogram, radius metrnen berilse, yoğunlıq kg/m³ ola. Nisbet içün cedveldeki aynı birimlerni qullanmaq mümkün: olar qısqara. Yupiterni J, Saturnnı S arfi ile belgileyik:

\frac{\bar\rho_J}{\bar\rho_S} =\frac{M_J/M_S}{(R_J/R_S)^3} \approx\frac{3{,}34}{1{,}20^3} \approx1{,}93.

Demek, Yupiter orta esapnen taqriben 1,9 kere daa yoğundır. Formulanıñ manasını teşkereyik: kütle deñişmese, radiusnı eki qat arttırmaq hacimni sekiz qat arttırır, yoğunlıqnı ise sekiz qat azaltır edi.

Bir planetanıñ ekvatorial radiusını ekincisiniñ orta radiusınen qarıştırmay, hacimge uyğun orta radiuslarnı qullandıq. Formula bugünki planetalarnı qıyaslay; belli miqdarda gaz qoşulsa, Yupiter nasıl deñişecegini bildirmey. JPL: malümat ve radius tarifleri.

Yetişip olmağan içki bölgeler nasıl ögrenile

Juno aparatı Yupiterniñ cazibe meydanını orbitadan ölçey. Planetada maddeniñ çeşit türlü dağılışı biraz farqlı meydanlar yarata. Araştırıcılar ölçevlerni esaplamalarnen qıyaslap, uyğun modellerni saylay. Olar yayğın, ya da seyreltilgen, özekni destekley: ağır elementler keñ merkeziy bölgege yayılğan ve hidrogen ve geliynen qarışqan. Bu, açıq merkezniñ fotoresmi degil, malümat ve modellerden çıqarılğan neticedir. Mission Juno: Yupiterniñ yayğın özegi.

Saturn adetten tış bir alet qoşa — öz alqalarını. Planetadaki içki salınımlar cazibe meydanını deñiştire ve alqalarda dalğalar uyandıra bile. Araştırıcılar Cassini közetüvleri esasında bu dalğalarnı ve cazibe ölçevlerini içki yapı modellerinen qıyasladı. Mankovich ve Fullerniñ 2021 yılğı işi Saturnnıñ özegi ve örtüsi arasında keñ, yavaş keçişni destekley. Mında alqalar planetanıñ salınımlarınıñ uzaqtan köstergiçi olaraq çalışa. Mankovich ve Fuller: Saturn araştırması.

Açıq sıñırlı iç-içke küreviy qabıqlarnı çizmek oñayraq olur edi, amma böyle resim belgisizlikni gizler edi. Ağır elementlerniñ tam dağılışı, olası sıq merkez ve yayğın özeklerniñ menşei daa açıqlana. Şekillenüv modelindeki ilk cenin ve bugünki merkeziy bölge er vaqıt aynı yapı degil.

Cenin keç össe, ne deñişir?

Eki kelecek planetanı köz ögüne ketireyik. Ekisi de aynı kütleli taş-buz ceninlerini topladı. Birincisi etrafında daa çoq gaz bar eken, ekincisi ise gaz diski dağılıp ketken soñ bunı yaptı. Ceninlerniñ birdey kütlesi eki birdey gaz deviniñ peyda olmasını temin ete mi?

Yoq. Ekincisiniñ pek büyük hidrogen-geliy örtüsini toplamaq içün artıq disk zapası yoq. Birincisi bunı yapa bile, amma netice suvuvğa ve gaznıñ kelüvine de bağlı. Büyük cenin — şartlarnıñ bir qısmı, teminat degil.

Böylece ilk sualniñ cevabı toplana. Yupiter ve Saturn yaş diskten vaqıtında çoq yengil madde toplap olğanı içün büyük. Cazibe ve issilikni berüv ösüvge yardım etti, vaqıt ve gaznıñ barlığı ise onı sıñırladı. Olarnıñ içki maddesi sıcaq ve sıqışa bile, şunıñ içün «gaz» adı er qatlamnıñ alını añlatmay, büyük radius ise kütleni doğrudan ölçemey.

Bu dünyalarnı qoñşuları arasında yerleştirmek içün Küneş sistemasınıñ yapısına qaytıñız. Uran ve Neptun — soñraki qıyaslama: «buz devleri» adı da hayaliy qarlı yüzeyni degil, terkibni añlatmaqnı talap ete.