Astronomi

Berapa banyak panas yang memancar dari planet-planet setelah pembentukan?

Berapa banyak panas yang memancar dari planet-planet setelah pembentukan?

Jawaban ke-2 untuk pertanyaan ini oleh MBR membuat saya memikirkan hal ini.

Apakah ada pedoman umum untuk sisa panas yang harus dipancarkan planet, katakanlah 4,5 miliar tahun setelah pembentukan. Saya mendefinisikan panas dengan energi radiasi yang meninggalkan planet ini, bukan panas internal atau suhu permukaan untuk benda-benda berbatu dan dengan asumsi sedikit atau tidak ada masukan matahari.

Wikipedia mencantumkan perkiraan suhu planet 9 menjadi 47 derajat K berdasarkan panas pembentukan yang tersisa, tetapi saya pikir itu akan sangat tergantung pada ukurannya serta apakah itu memiliki dampak baru-baru ini. Mau tak mau saya bertanya-tanya apakah itu perkiraan yang akurat.

Jupiter, sebagai salah satu contoh, memancarkan sekitar dua kali lebih banyak energi yang diterimanya dari matahari, dan suhunya sekitar 128 derajat Kelvin. Apakah aman untuk mengasumsikan bahwa suhu awan atas Jupiter akan tetap ~ 100 Kelvin bahkan jika berada di luar angkasa, tetapi sebaliknya memiliki formasi dan sejarah yang sama.

Neptunus juga beberapa derajat lebih hangat dari Uranus, jadi harus mengeluarkan sedikit panas internal juga.

Jelas ada beberapa faktor yang berperan - ukuran, apakah ada dampak besar baru-baru ini, kelimpahan elemen radioaktif, efisiensi sirkulasi (lapisan padat kemungkinan lebih efisien dalam menjebak panas daripada lapisan fluida yang bersirkulasi).

Saya tergoda untuk menebak bahwa ada terlalu banyak hal yang tidak diketahui tentang sirkulasi gas raksasa, lapisan dalam, komposisi dan massa sehingga tidak ada bagan sederhana yang bagus untuk hal ini, tapi saya ingin tahu apakah ada sesuatu. Saya mencoba google tanpa hasil.


Bagaimana Planet Terbentuk: 'Di Luar Sana Berantakan'

Pengamatan baru terhadap debu di sekitar bintang muda menunjukkan bahwa tabrakan benda-benda besar seperti asteroid dan planet-planet baru sering terjadi. Tapi itu tidak mungkin menghentikan pembentukan planet berbatu seperti Bumi, sebuah proses yang mungkin umum, menurut hasil penelitian.

Berdasarkan masa lalu yang kejam dari tata surya kita, banyak astronom menganggap pembentukan planet adalah proses kacau yang melibatkan banyak tabrakan. Pengamatan baru dari 266 bintang mengkonfirmasi pandangan itu dan memberikan detail baru tentang betapa liarnya hal-hal itu.

"Di luar sana kacau balau," kata George Rieke dari Universitas Arizona. "Kami melihat bahwa planet-planet memiliki jalan panjang dan berbatu yang harus dilalui sebelum mereka menjadi dewasa."

Seperti kacamata penglihatan malam, Teleskop Luar Angkasa Spitzer NASA melihat cahaya inframerah. Dalam hal ini, ia melihat cincin debu di sekitar bintang dengan merekam panas yang dipancarkan oleh butiran debu yang diterangi bintang. Dalam banyak kasus, ada begitu banyak debu sehingga harus diisi ulang baru-baru ini oleh tabrakan antara benda-benda besar, jelas Rieke, yang memimpin penyelidikan.

Planet berbatu seperti Bumi diperkirakan terbentuk ketika butiran debu di sekitar bintang yang baru lahir berkumpul untuk membentuk batu. Batu bertabrakan, dan beberapa menempel dan tumbuh.

"Kelinci debu di bawah tempat tidur Anda tumbuh dengan cara yang sama," kata Scott Kenyon, ahli teori pembentukan planet di Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian. "Dan setelah sejuta tahun, kelinci debu bisa menjadi sangat besar."

Prosesnya tidak selalu mulus. Bulan kita diperkirakan terbentuk ketika benda seukuran Mars menabrak Bumi tak lama setelah planet kita berkumpul. Selama beberapa ratus juta tahun setelahnya, dampak asteroid besar mengguncang seluruh dunia tata surya bagian dalam. Kawah di Bulan berfungsi sebagai catatan waktu yang kacau itu.

Bintang-bintang dalam studi baru ini memiliki rentang usia dari yang baru lahir hingga sekitar 800 juta tahun, mencakup kerangka waktu yang sesuai dengan pembentukan Bulan di sini dan seterusnya hingga munculnya kehidupan di Bumi. Bumi sekarang berusia sekitar 4,5 miliar tahun, dengan Matahari sekitar 100 juta tahun lebih tua.

Menurut Rieke, beberapa ahli teori tidak memperkirakan tabrakan akan begitu sering seperti yang ditunjukkan oleh pengamatan Spitzer. Studi ini juga menunjukkan variasi yang menarik di antara beberapa bintang.

"Kami mengira bintang muda, berusia sekitar satu juta tahun, akan memiliki cakram yang lebih besar dan lebih terang, dan bintang yang lebih tua dari 10 hingga 100 juta tahun akan memiliki cakram yang lebih redup," kata Rieke. "Tapi kami menemukan beberapa bintang muda yang kehilangan cakram dan beberapa bintang tua dengan cakram besar."

Namun, secara umum, data dari sebagian besar piringan debu dalam penelitian mengungkapkan pengurangan bertahap dalam kecerahan terkait dengan penurunan yang stabil dalam tabrakan yang signifikan.

Kenyon, yang tidak terlibat dalam penelitian tersebut, mengatakan bahwa penelitian tersebut menyediakan semacam film tentang pembentukan planet. Para astronom sebelumnya mungkin memiliki setengah lusin foto cakram debu di sekitar bintang muda -- "pertunjukan aneh astronomi," seperti yang dikatakan Rieke.

"Sekarang dengan beberapa ratus bingkai kita bisa melihat plotnya," kata Kenyon dalam telekonferensi dengan wartawan, yang disiapkan Senin oleh NASA.

Yang penting, rangkaian pengamatan baru merinci cakram debu yang relatif dekat dengan bintang-bintang, wilayah yang analog dengan tempat Venus, Bumi, dan Mars berada. Dalam pekerjaan sebelumnya, para peneliti sebagian besar telah menyaksikan debu jauh dari bintang, setara dengan wilayah tata surya kita di dekat dan di luar planet terluar.

Bintang-bintang dalam studi baru semuanya berada dalam jarak 500 tahun cahaya dari Bumi. Sebagian besar sekitar 2,5 kali massa Matahari, cukup mirip sehingga proses di sekitar mereka seharusnya serupa dengan apa yang terjadi di sekitar Matahari muda, kata Rieke.

Data arsip dari Satelit Astronomi Inframerah dan Observatorium Luar Angkasa Inframerah berkontribusi pada penelitian ini. Hasilnya akan dirinci dalam Jurnal Astrofisika.


Lempeng tektonik tidak diperlukan untuk kehidupan alien?

Konsep artis tentang Kepler-69c, planet seukuran Bumi super di zona layak huni bintangnya sekitar 2.700 tahun cahaya dari Bumi di konstelasi Cygnus. Penelitian baru menunjukkan bagaimana dunia berbatu seperti itu, meskipun tidak memiliki lempeng tektonik, masih dapat mendukung kehidupan. Gambar melalui NASA.

Lempeng tektonik telah lama dianggap penting untuk perkembangan kehidupan di Bumi, sebagian karena memudahkan gunung berapi melepaskan gas esensial ke atmosfer. Tapi sekarang, penelitian baru menunjukkan bahwa mungkin tidak menjadi kasusnya, yang juga bisa berarti peluang lebih besar dari planet tanpa lempeng tektonik untuk dapat menampung kehidupan juga. Temuan baru ini berasal dari geoscientist di Penn State, dan telah diterbitkan dalam jurnal peer-review Astrobiologi.

Menurut Bradford Foley, asisten profesor geosains:

Vulkanisme melepaskan gas ke atmosfer, dan kemudian melalui pelapukan, karbon dioksida ditarik dari atmosfer dan diasingkan ke permukaan batuan dan sedimen. Menyeimbangkan kedua proses tersebut menjaga karbon dioksida pada tingkat tertentu di atmosfer, yang sangat penting untuk menentukan apakah iklim tetap sedang dan cocok untuk kehidupan.

Lempeng tektonik bumi. Segitiga juga menunjukkan di mana gumpalan material panas dari mantel naik ke permukaan di antara pelat. Gambar melalui Encyclopedia Brittanica.

Sangat penting bahwa sebagian besar gunung berapi di Bumi terletak di tepi lempeng tektonik, di mana subduksi dapat membantu proses siklus karbon dengan mendorong karbon ke dalam mantel. Ini penting agar kehidupan dapat berevolusi dan berkembang di Bumi, sehingga para ilmuwan berasumsi bahwa lempeng tektonik juga diperlukan bagi kehidupan untuk berkembang di dunia lain.

Sejauh ini, Bumi adalah satu-satunya planet yang diketahui memiliki lempeng tektonik, di mana kerak bumi terbagi menjadi potongan-potongan (lempeng) yang mengapung di atas mantel, meskipun sekarang ada beberapa bukti bahwa bulan Jupiter Europa juga demikian. Ketika sebuah planet tidak memiliki lempeng tektonik, itu disebut planet tutup stagnan, di mana keraknya adalah satu lempeng bulat raksasa yang tidak terputus itu sendiri.

Foley dan rekan-rekannya ingin menyelidiki apakah lempeng tektonik benar-benar diperlukan seperti yang diperkirakan, sehingga mereka menciptakan model komputer dari siklus hidup sebuah planet. Mereka ingin tahu seberapa banyak panas yang dapat ditahan sebuah planet setelah pembentukan – anggaran panas, atau jumlah panas dan elemen penghasil panas yang ada saat sebuah planet terbentuk. Pemikirannya adalah bahwa akan ada lebih sedikit panas yang tersedia untuk iklim planet tutup yang stagnan, yang berarti lebih sedikit vulkanisme dan lebih sedikit air cair.

Tiga jenis utama batas lempeng tektonik: divergen, konvergen, dan transformasi. Gambar melalui Survei Geologi AS.

Tim peneliti menjalankan ratusan simulasi komputer, dengan berbagai ukuran dan komposisi kimia sebuah planet, dan menemukan bahwa bahkan planet tutup yang stagnan pun dapat menahan panas yang cukup untuk air cair selama miliaran tahun. Mereka bahkan dapat mempertahankan kehidupan hingga sekitar 4 miliar tahun, mirip dengan 'rentang hidup' Bumi sejauh ini. Vulkanisme masih dapat terjadi, meskipun berumur lebih pendek daripada di planet dengan lempeng tektonik. Seperti yang dijelaskan oleh Andrew Smye, asisten profesor geosains:

Anda masih memiliki vulkanisme di planet tutup yang stagnan, tetapi umurnya jauh lebih pendek daripada di planet dengan lempeng tektonik karena siklusnya tidak sebanyak itu. Gunung berapi menghasilkan suksesi aliran lava, yang terkubur seperti lapisan kue dari waktu ke waktu. Batuan dan sedimen semakin panas semakin dalam terkubur.

Ini adalah kabar baik bagi planet berbatu yang tidak memiliki lempeng tektonik –, mereka masih bisa mendukung kehidupan. Di Bumi, karbon dioksida naik ke permukaan dengan air melalui zona patahan subduksi, tetapi di planet tanpa lempeng tektonik, karbon dioksida masih bisa melakukannya, dengan panas dan tekanan yang cukup, dengan keluar dari bebatuan melalui proses pelepasan gas. Seperti yang dicatat Foley:

Ada kisaran sweet spot di mana sebuah planet melepaskan cukup karbon dioksida untuk menjaga planet ini dari pembekuan, tetapi tidak terlalu banyak sehingga pelapukan tidak dapat menarik karbon dioksida keluar dari atmosfer dan menjaga iklim tetap hangat.

Permukaan es bulan Jupiter, Europa, yang retak. Sekarang diperkirakan bahwa Europa mungkin memiliki lempeng tektonik yang mirip dengan Bumi. Gambar melalui NASA.

Hasilnya menggarisbawahi bagaimana komposisi planet akan memengaruhi potensi kehidupan layak huni yang mungkin masih ada lebih mudah untuk berkembang di planet dengan lempeng tektonik, tetapi planet yang tidak memiliki lempeng tektonik masih dapat memiliki peluang bagus untuk memulai kehidupan, dengan mempertimbangkan faktor-faktor seperti air yang tersedia, iklim stabil, nutrisi kimia, dll. Seperti yang disimpulkan Smye:

Salah satu poin menarik dari studi ini adalah bahwa komposisi awal atau ukuran sebuah planet penting dalam menentukan lintasan untuk kelayakhunian. Nasib masa depan sebuah planet ditentukan sejak awal kelahirannya.

Intinya: Para ilmuwan telah lama berpikir bahwa lempeng tektonik diperlukan bagi kehidupan untuk berevolusi di Bumi, dan dengan perluasan, di planet lain juga. Sebuah studi penelitian baru menunjukkan bahwa ini mungkin tidak benar, bagaimanapun, dan banyak planet ekstrasurya berbatu tanpa lempeng tektonik masih dapat mendukung kehidupan.


Merkurius, Planet yang Tidak Terlalu Menyusut

Pesawat ruang angkasa MESSENGER adalah yang pertama mengorbit planet terdalam setelah serangkaian terbang lintas. Gambar kembali selama fase orbit dan dari tiga flybys mengungkapkan lanskap yang luar biasa - salah satu rusak oleh lereng curam patahan dorong besar.

Bagikan

Salin tautannya

Bukti pertama dari lereng curam patahan ini terdeteksi dalam gambar dari flybys Mariner 10 pada pertengahan 1970-an. Namun, skala penuh dan jumlah lereng sesar tidak menjadi jelas sampai MESSENGER mencitrakan seluruh permukaan Merkurius. Lereng patahan ini adalah salah satu minat utama saya. Saya telah menghabiskan banyak waktu sebelum misi MESSENGER melihat lereng curam patahan di belahan bumi yang dicitrakan oleh Mariner 10, jadi saya memiliki ide yang cukup bagus tentang apa yang harus dicari dalam gambar MESSENGER. Namun, di belahan Mariner 10 – di wilayah di mana saya tahu mereka ada – beberapa lereng sesar yang menonjol tidak terlihat dalam gambar orbital MESSENGER. Hal ini dikarenakan pada hari pertama misi orbit, citra yang diperoleh tidak optimal untuk mendeteksi bentang alam. Yang optimal adalah gambar sudut insiden tinggi – yang diambil saat matahari rendah di cakrawala Merkurius dan bayangan terbentuk. Setelah menunjukkan hal ini, kampanye untuk mendapatkan gambar yang dioptimalkan dimulai dan menghasilkan cakupan gambar sudut insiden tinggi dari permukaan yang diterangi saat matahari berada di timur dan barat. Dua gambar mosaik hampir global memfasilitasi identifikasi lereng sesar di mana-mana di planet ini.

Komposit (BW) dari dua pandangan terbang lintas Merkurius yang ditangkap oleh Wide Angle Camera dari Mercury Dual Imaging System (MDIS) pada pesawat ruang angkasa MESSENGER. Gambar di sebelah kanan diambil pada 14 Januari 2008 saat terbang lintas pertama MESSENGER, dan gambar di sebelah kiri diambil selama terbang lintas ketiga pada 29 September 2009. Dua pandangan Merkurius menunjukkan sebagian besar belahan bumi yang tidak dicitrakan oleh Mariner 10 dengan hanya celah cakupan kecil dalam bayangan di sepanjang terminator. Dua dari lereng sesar lobate yang paling menonjol ditemukan di dekat terminator – Beagle Rupes (bola kanan, terminator tengah) dan Enterprise Rupes (bola kiri, terminator bawah). Gambar MDIS EW0108829708 (kanan) dan EW0162741055 (kiri).

Kredit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington/Smithsonian Institution

MESSENGER menegaskan bahwa populasi lereng curam patahan besar adalah bukti Merkurius telah mengalami kontraksi global saat interior planet mendingin. Hal ini menyebabkan kerak berkontraksi, membentuk patahan dorong dan lereng curam sepanjang ratusan kilometer dan banyak dengan relief lebih dari satu kilometer atau lebih. Salah satu pertanyaan kunci yang dapat dijawab dengan mengidentifikasi semua lereng patahan adalah jumlah kontraksi yang dialami Merkurius sejak akhir periode pemboman berat, sekitar 4 miliar tahun yang lalu, yang sebelumnya tidak ada catatan yang akan disimpan.

Dua lereng sesar dorong lobate yang menonjol di Merkurius, Discovery Rupes dan Beagles Rupes, dicitrakan oleh Mercury Dual Imaging System (MDIS) pada pesawat ruang angkasa MESSENGER. Discovery Rupes (kiri), dinamai untuk kapal HMS Discovery, yang ditampilkan di sini dalam mosaik gambar sudut insiden tinggi MDIS, pertama kali dicitrakan oleh Mariner 10 pada pertengahan 1970-an. Beagle Rupes (kanan), sesar patahan berbentuk busur, pertama kali dicitrakan selama terbang lintas pertama MESSENGER. Kedua lereng sesar adalah bentang alam seperti tebing yang berada lebih dari 1 km di atas medan sekitarnya.

Kredit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington/Smithsonian Institution

Jumlah Merkurius yang menyusut seperti yang diungkapkan oleh populasi lereng curam telah menjadi bahan perdebatan. Beberapa penyelidik memperkirakan penurunan diameter planet ini hingga 14 km atau lebih – yang saya gambarkan sebagai Merkurius “super-kontraksi”. Dalam studi ini, dengan menggunakan gambar MESSENGER sudut insiden tinggi dan data topografi, hanya bentang alam dengan bukti jelas deformasi kontraksi yang dipetakan. Saya memperkirakan jumlah kontraksi paling banyak 2 hingga 4 km.

Hilangnya panas dari interior adalah kekuatan pendorong di planet berbatu. Di planet multi-pelat seperti Bumi, sebagian besar patahan utama terletak di sepanjang tepi lempeng yang berinteraksi. Merkurius, secara kontrak, adalah planet satu lempeng dan dapat dianggap sebagai pola dasar bagaimana planet satu lempeng mengekspresikan hilangnya panas interior. Pada planet satu lempeng, kehilangan panas bagian dalam menghasilkan kontraksi seluruh lempeng dan pembentukan susunan sesar patahan yang tersebar luas seperti yang kita lihat di Merkurius. Kebijaksanaan konvensional mengatakan bahwa semakin kecil tubuh, semakin cepat kehilangan panas interiornya dan menjadi tidak aktif secara geologis. Jumlah kontraksi global yang relatif kecil yang saya perkirakan untuk Merkurius menceritakan kisah yang sangat berbeda. Ini menunjukkan jalur evolusi untuk planet berbatu kecil di mana panas interior dipertahankan dan pendinginan lambat menghasilkan kontraksi keseluruhan yang lebih sedikit. Pendinginan yang lambat dapat mendorong aktivitas tektonik yang sangat baru dan bahkan saat ini di Merkurius.

Planet Banyak Pelat dan Planet Satu Pelat. Litosfer bumi, kulit terluarnya yang kaku, dipecah menjadi 12 lempeng individu (garis merah). Pergerakan lempeng yang dibatasi patahan ini didorong oleh konveksi mantel, sebuah mekanisme yang didorong oleh hilangnya panas dari interior Bumi. Garis pantai bumi ditampilkan (garis hitam). Litosfer Merkurius sebaliknya, adalah lempeng tunggal yang terus menerus yang telah dipatahkan oleh banyak patahan yang tersebar luas (garis merah). Patahan ini adalah hasil dari kontraksi global yang didorong oleh hilangnya panas dari interior Merkurius. Dataran vulkanik halus Merkurius ditampilkan (garis hitam).


Berapa banyak panas yang memancar dari planet-planet setelah pembentukan? - Astronomi

Bagian ini memberikan diskusi singkat tentang bulan-bulan besar di tata surya dan karakteristik cincin yang ditemukan di sekitar semua planet jovian. Bulan yang paling terkenal adalah satu-satunya objek lain yang telah dieksplorasi manusia secara langsung --- bulan Bumi. Saya akan membahas Bulan terlebih dahulu dan kemudian pindah ke bulan-bulan besar dari planet jovian. Dua bulan Mars dan sebagian besar bulan dari planet jovian adalah benda kecil berbatu seukuran kota besar atau lebih kecil. Sebagian besar dari mereka mungkin adalah asteroid yang bertanya-tanya terlalu dekat dengan planet dan terjebak oleh gravitasi planet.

Bulan Bumi

Bulan tanpa teleskop.

Bulan dengan teleskop (gambar asli dari Lick Observatory tidak lagi tersedia online)

Bulan juga memiliki area halus gelap yang luas yang menutupi sekitar 17% permukaan Bulan yang awalnya dianggap sebagai lautan air cair sehingga disebut kuda betina (Latin untuk ``lautan'' --- merekalah yang membuat wajah di Bulan). Sekarang diketahui bahwa kuda betina adalah aliran lava besar yang tersebar di ratusan mil persegi, menutupi banyak kawah yang awalnya ada di sana. Materi kuda bersifat basaltik seperti materi gelap di kerak samudra bumi dan yang keluar dari banyak gunung berapi perisai kita (mis., Kepulauan Hawaii). Merkurius juga memiliki maria tetapi warnanya lebih terang karena komposisi kimia yang berbeda dan mereka tidak menonjol dari area kawahnya yang berat.

Air cair tidak dapat ada di Bulan karena kurangnya atmosfer --- Bulan hanya memiliki sekitar 1/6 gravitasi permukaan Bumi. Jika ada air yang dapat ditemukan di Bulan, itu akan berada dalam keadaan beku di tempat yang tetap teduh seperti kawah yang dalam di dekat kutub. Misi baru-baru ini telah menemukan beberapa balok es di dekat kutub (Clementine, Lunar Prospector, LCROSS). Balok es akan menjadi sumber air bagi setiap manusia yang memutuskan untuk mendirikan pangkalan di Bulan.

Kawah

Interior dan Komposisi

Ketebalan rata-rata kerak Bulan adalah antara 34 dan 43 kilometer. Pasang kuat dari Bumi menarik interior cair Bulan awal ke arah Bumi, sehingga kerak sisi jauh lebih tebal daripada kerak sisi dekat. Tipisnya kerak sisi dekat juga mengapa ada lebih banyak kuda di sisi dekat daripada sisi jauh. Sisi dekat cukup tipis untuk retak terpisah ketika asteroid besar menabrak permukaan dan membentuk kuda betina tetapi kerak sisi jauh terlalu tebal.

Pengetahuan kita tentang Bulan mengalami lompatan besar selama misi Apollo. Salah satu alasan sains utama untuk pergi ke Bulan adalah mengembalikan sampel batuan untuk mengetahui usia dan komposisinya. Menggunakan pengetahuan mereka tentang geologi yang diperoleh dari studi batuan Bumi, para ilmuwan mampu mengumpulkan sejarah untuk Bulan. Para astronot Apollo juga meninggalkan seismometer di Bulan untuk mendeteksi gempa bulan yang dapat digunakan untuk menyelidiki interior menggunakan seismologi.

Kepadatan Bulan cukup seragam di seluruh dan hanya sekitar 3,3 kali kerapatan air. Sebuah analisis ulang baru-baru ini dari data seismik Apollo menunjukkan bahwa Bulan memiliki inti kecil yang kaya zat besi yang terbuat dari tiga bagian: inti besi bagian dalam yang solid dengan diameter 480 kilometer, cangkang inti luar besi cair setebal 90 kilometer, dan bagian ketiga. unik ke Bulan yaitu cangkang sebagian mencair setebal sekitar 150 kilometer (lihat juga tautan ASU). Inti besi juga mengandung sebagian kecil unsur ringan seperti belerang. Penyempurnaan lebih lanjut dari pandangan kita tentang interior Bulan tidak diragukan lagi akan terjadi ketika para ilmuwan menganalisis semua data gravitasi dari misi GRAIL yang baru saja selesai.


(Titik merah adalah lokasi gempa bulan yang diukur oleh seismometer Apollo di permukaan.)

Inti kecil sangat kontras dari planet seperti Merkurius dan Bumi yang memiliki inti besi-nikel besar dan kepadatan keseluruhan lebih dari 5 kali kepadatan air. Mantel Bulan terbuat dari bahan silikat, seperti mantel Bumi, dan membentuk sekitar 90% dari volume Bulan. Suhu memang meningkat lebih dekat ke pusat dan cukup tinggi untuk mencairkan sebagian bahan yang dekat dengan pusat. Kurangnya inti besi-nikel cair yang besar dan rotasi yang lambat adalah alasan mengapa Bulan tidak memiliki medan magnet.

Sampel bulan yang dibawa kembali oleh astronot Apollo menunjukkan bahwa dibandingkan dengan Bumi, Bulan kekurangan zat besi dan nikel dan volatil (elemen dan senyawa yang berubah menjadi gas pada suhu yang relatif rendah) seperti air dan timbal. Bulan kaya akan unsur dan senyawa yang menguap pada suhu yang sangat tinggi. Bahan Bulan seperti bahan mantel Bumi tetapi dipanaskan hingga suhu yang sangat tinggi sehingga zat yang mudah menguap keluar ke luar angkasa.

Pembentukan

  1. Itu menangkap (mengambil) teori mengusulkan bahwa Bulan terbentuk di tempat lain di tata surya dan kemudian ditangkap dalam pertemuan dekat dengan Bumi. Teori tersebut tidak dapat menjelaskan mengapa rasio isotop oksigen (Oksigen-16 vs. Oksigen-18) sama dengan yang ada di Bumi tetapi setiap objek tata surya lainnya memiliki rasio isotop oksigen yang berbeda. Teori ini juga mensyaratkan keberadaan benda besar ketiga di tempat dan waktu yang tepat untuk membawa energi gerak ekstra orbital.
  2. Itu teori planet ganda (saudara perempuan) mengatakan bahwa Bulan terbentuk di tempat yang sama dengan Bumi tetapi tidak dapat menjelaskan perbedaan komposisi antara Bumi dan Bulan.
  3. Itu teori spin (putri atau fisi) mengatakan bahwa Bumi berputar sangat cepat sehingga sebagian mantelnya terbang ke bentuk Bulan. Namun, itu tidak bisa menjelaskan perbedaan komposisi. Selain itu, bahan mantel yang terlepas kemungkinan besar akan membentuk cincin, bukan bulan dan sangat tidak mungkin Bumi berputar secepat itu.

Itu teori dampak raksasa mengusulkan bahwa 50 juta tahun setelah Bumi terbentuk, sebuah objek berukuran Mars yang besar menabrak Bumi dan meniup material mantel ke luar, beberapa di antaranya kemudian bergabung untuk membentuk Bulan. Sebagian besar bahan mantel dari Bumi dan penabrak raksasa digabungkan untuk membuat Bumi yang lebih besar. Bumi sudah dibedakan pada saat tumbukan raksasa sehingga mantelnya sudah miskin besi. Dampak dan paparan ke luar angkasa menghilangkan volatil dalam bahan mantel ejecta. Dampak seperti itu jarang terjadi sehingga tidak mungkin juga terjadi di planet terestrial lainnya. Bulan yang baru saja terbentuk hanya berjarak sekitar 64.000 kilometer (40.000 mil) dari Bumi dan telah berputar menjauh dari kita sejak itu (meskipun, pada tingkat yang terus menurun). Pasang surut yang dialami Bumi dari Bulan pada waktu awal itu cukup untuk mengangkat tanah setinggi 60 meter saat air pasang dan Bumi berputar jauh lebih cepat saat itu --- satu hari lamanya sekitar lima jam.

Satu "kekurangan" dari teori ini adalah bahwa ia memiliki banyak parameter (ukuran impaktor, kecepatan, sudut, komposisi, dll.) yang dapat diubah untuk mendapatkan hasil yang tepat. Model yang kompleks biasanya dapat disesuaikan agar sesuai dengan data bahkan jika itu tidak benar (ingat banyak epicycle Ptolemy). Tetapi teori tumbukan raksasa adalah satu-satunya yang diusulkan yang dapat menjelaskan karakteristik komposisi dan struktural Bulan.

Gambar di atas berasal dari lukisan salah satu penulis teori benturan raksasa, William Hartmann. Yang pertama adalah pada saat dampak dan yang kedua adalah lima jam setelah dampak berdasarkan rekonstruksi komputer dari dampak. Lihat katalog lukisan online Hartmann untuk lebih banyak lukisan seni luar angkasa.


Apakah Kesenjangan di Disk Ini Disebabkan oleh Planet?

Para astronom suka mengamati bintang muda yang jauh saat mereka terbentuk. Bintang-bintang lahir dari awan molekuler, dan sekali materi di awan itu menggumpal, fusi menyala dan sebuah bintang memulai kehidupannya. Bahan sisa dari pembentukan bintang disebut piringan circumstellar.

Saat materi di piringan circumstellar berputar di sekitar bintang yang sekarang berputar, ia menggumpal menjadi planet-planet individu. Saat planet terbentuk di dalamnya, mereka meninggalkan celah di piringan itu. Atau begitulah menurut kami.

Salah satu bintang muda yang paling banyak diamati disebut HL Tauri. Ia berada di konstelasi Taurus dan berjarak sekitar 450 tahun cahaya. Atacama Large Millimeter Array (ALMA) menangkap gambar terkenal HL Tauri pada tahun 2014. Gambar itu adalah gambar paling tajam yang pernah diambil oleh ALMA.

Ini adalah gambar paling tajam yang pernah diambil oleh ALMA — lebih tajam daripada yang biasa dicapai dalam cahaya tampak dengan Teleskop Luar Angkasa Hubble NASA/ESA. Ini menunjukkan piringan protoplanet yang mengelilingi bintang muda HL Tauri. Dengan bintang muda seperti ini, dan CI Tau, pengamatan mengungkapkan substruktur di dalam cakram yang belum pernah terlihat sebelumnya dan bahkan menunjukkan kemungkinan posisi planet yang terbentuk di tambalan gelap di dalam sistem. Dalam gambar ini fitur yang terlihat di HL Sistem Tauri diberi label. Kredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Sejak itu, para astronom telah mengamati bintang muda lainnya, dan juga menemukan celah di piringan mereka. Perhatikan bahwa ALMA, seperti namanya, bukanlah teleskop cahaya tampak. Ada begitu banyak gas dan debu di piringan bintang sehingga cahaya tampak tidak berguna untuk mempelajarinya. ALMA mengamati dalam panjang gelombang cahaya antara gelombang inframerah dan radio, sehingga dapat melihat ke dalam piringan gas dan debu yang berputar-putar.

Sebuah studi baru mengamati 18 bintang muda dan piringan mereka, dan menemukan bukti bahwa 8 dari bintang-bintang itu memiliki apa yang mereka sebut “kekusutan kecepatan” yang mungkin menandakan keberadaan planet-planet muda yang masih terbentuk. Studi ini berjudul “Nine Localized Deviations from Keplerian Rotation in the DSHARP Circumstellar Disks: Kinematic Evidence for Protoplanets Carving the Gaps.” Penulis utama studi ini adalah Christophe Pinte dari Monash University, Australia, dan University of Grenoble Alpes, Perancis). Makalah ini diterbitkan dalam The Astrophysical Journal Letters.

Meskipun para astronom dapat melihat celah di piringan bintang, mereka tidak dapat melihat planet. Setelah bertahun-tahun mencoba dengan beberapa teleskop terbaik dunia, para astronom hanya secara langsung mencitrakan satu planet ekstrasurya di celah di sekitar satu bintang. Jadi, meskipun mungkin tampak jelas bahwa planet bayi bertanggung jawab, dan tidak ada cara lain untuk membentuknya, itu masih merupakan teori yang belum terbukti. Studi baru ini membantu membuat kasus bahwa setidaknya beberapa celah yang diamati di piringan bintang disebabkan oleh planet.

Penelitian ini menggunakan data dari proyek Disk Substructures at High Angular Resolution (DSHARP). DSHARP menggunakan ALMA untuk mempelajari cakram circumstellar terang di dekatnya (juga disebut cakram protoplanet). Menurut situs web, DSHARP “dirancang untuk menilai prevalensi, bentuk, lokasi, ukuran, dan amplitudo substruktur skala kecil dalam distribusi materi cakram dan bagaimana mereka mungkin terkait dengan proses pembentukan planet.”

DSHARP sedang mensurvei 20 piringan protoplanet besar yang terang di dekatnya. Kredit Gambar: DSHARP

Ada penjelasan kandidat lain untuk celah di disk. Salah satunya adalah garis salju, atau garis es. Dalam piringan puing-puing circumstellar, garis es adalah jarak dari bintang yang cukup dingin untuk membekukan volatil. Ini tidak hanya mencakup air es, tetapi juga amonia, metana, karbon dioksida, dan lainnya. Di luar garis es, zat-zat ini membeku menjadi butiran es padat.

Penjelasan lain yang mungkin untuk celah ini adalah sintering butiran debu. Saat itulah debu memadat menjadi struktur padat melalui panas dan tekanan, tetapi tanpa meleleh. Sebuah tim ilmuwan mengeksplorasi ide itu dalam makalah ini.

Kandidat lain termasuk efek magneto-hidrodinamik, aliran zonal, dan perangkap debu yang diinduksi sendiri. Setelah gambar ALMA 2014 dari HL Tauri dan cincinnya, para peneliti menerbitkan sejumlah makalah yang menyajikan bukti yang mendukung semua penjelasan yang mungkin ini.

Tiga hidangan yang membentuk Atacama Large Millimeter/submillimter Array (ALMA). Kredit Gambar: H. Calderon – ALMA (ESO/NRAO/NAOJ)

Tapi tak satu pun dari mereka yang semenarik penjelasan planet bayi. Dan karena kita sekarang tahu bahwa sebagian besar, jika tidak semua , bintang menjadi tuan rumah exoplanet, itu masuk akal.

ALMA tidak hanya memotret bintang-bintang muda ini dan piringan puingnya. Ia menggunakan kekuatannya untuk mempelajari distribusi gas dalam piringan. Gambar di bawah ini dari studi baru. Ini membandingkan distribusi gas di lima disk dengan pengukuran kecepatan dari disk yang sama.

<Klik untuk memperbesar> Kolom di sebelah kiri menunjukkan distribusi gas di lima piringan puing-puing sirkumstellar dalam penelitian ini. Di sebelah kanan adalah pengukuran untuk gas dalam piringan-piringan itu dalam saluran kecepatan yang berbeda. Gambar-gambar itu menunjukkan “kekusutan kecepatan.” Kredit Gambar: C. Pinte et al, 2020.

Inti dari studi baru ini adalah apa yang disebut “velocity kinks.”

Disk puing-puing circumstellar di sekitar HL Tauri dan bintang muda lainnya sebagian besar terbuat dari gas, dan berputar. Saat berputar, gerakannya diatur oleh kecepatan Keplerian. Kecepatan Keplerian menggambarkan bagaimana piringan materi harus bergerak ketika didominasi oleh benda besar di pusatnya. Tetapi seperti yang ditunjukkan oleh gambar di atas, ada kekusutan di dalam gas. Menurut penulis makalah baru, kekusutan ini adalah bukti planet muda.

Dari makalah: “Embedded planets mengganggu aliran gas Keplerian di sekitarnya, meluncurkan gelombang spiral pada resonansi Lindblad baik di dalam maupun di luar orbitnya.”

Untuk setidaknya satu dari 20 bintang muda, aliran yang terganggu adalah bukti dari raksasa gas besar: “Pengukuran kurva rotasi yang akurat mengungkapkan, misalnya, gradien tekanan radial dan aliran vertikal, kemungkinan didorong oleh celah yang diukir dalam kerapatan permukaan gas oleh Planet bermassa Jupiter dalam piringan HD 163296.”

Ilustrasi seniman tentang raksasa gas muda yang terbentuk di piringan puing-puing mengelilingi bintang muda. Kredit Gambar: NRAO / AUI / NSF / S. Dagnello

Studi ini menyajikan banyak bukti kuat yang mendukung protoplanet. Tetapi penulis mengakui bahwa mungkin ada penyebab lain. Salah satunya adalah pada data itu sendiri.

“Beberapa efek pengamatan dan mekanisme fisik dapat menghasilkan fitur di peta saluran yang terlihat seperti kecepatan kinks,” kata penulis. “Yang paling jelas adalah proses rekonstruksi pada rasio signal-to-noise rendah yang sering menghasilkan emisi yang tidak merata yang bisa disalahartikan sebagai kekusutan. Kami tidak dapat mengecualikan bahwa artefak tersebut ada dalam data DSHARP…”

Tetapi mereka telah mengambil langkah-langkah untuk menghilangkan kesalahan itu, dan di akhir makalah mereka, mereka membuat beberapa pernyataan sebagai ringkasan:

  • “Kami menemukan sembilan gangguan kecepatan lokal (khusus saluran) yang menunjukkan gerakan non-Keplerian dalam pengamatan DSHARP dari 8 piringan protoplanet, dari 18 sumber yang dipilih.”
  • “The presence of embedded planets would naturally explain both the continuum rings and gas velocity deviations from Keplerian rotation.”
  • “If planets are indeed responsible for these tentative velocity kinks, they should have masses of the order of a Jupiter mass.”
  • In several cases, the authors couldn’t reach definitve conclusions. “… nondetections in other disks or in other gaps in disks where we detected a kink do not necessarily imply the absence of Jupiter-mass planets.”

So there we have it. This thorough and interesting paper advances the idea that gaps in circumstellar debris disks are indeed caused by baby planets.

As our observing power grows, and as telescopes like the James Webb and others become operational, the evidence will likely grow more conclusive.


How was the earth's formation different or similar to the formation of the other planets?

The formation of the inner four planets, which include Earth, were similar.

Penjelasan:

The solar system formed from a disk of material which was orbiting the Sun. The inner part of the disk was mainly dust as gases get heated and blown further out by the Sun's heat and the solar winds.

In the inner solar system, dust particles collided and clumped together. They formed larger and larger rocky objects. These clumps finally clumped together to form the rocky planets, Mercury, Venus, Earth and Mars.

Of the inner planets Venus and Earth and about the same size. Mercury and Mars are much smaller.

In the outer solar system, volatile materials were solid. Also, gases were trapped inside ices. These materials also clumped together. These ultimately formed the giant planets. Jupiter and Saturn are gas giants which are mainly Hydrogen and Helium. Uranus and Neptune are ice giants. They are also mainly Hydrogen and Helium but also contain quantities of water ice, methane and ammonia.

It is also thought that soon after formation, Earth was hit by a Mars sized object which lead to the formation of the Moon.


Planet formation, fast and slow

Planets don't radiate light the way stars do, but they're not entirely dark, either. Planet 51 Eridani b, for example, burns at about 800 degrees Fahrenheit (426.6 degrees Celsius), which is hot enough to melt lead and give off a substantial glow.

The heat comes from energy that was captured during the planet's formation process, which took place about 20 million years ago. Jupiter is closer to 4.5 billion years old, so by contrast, 51 Eridani b is a planetary infant.

"It's young enough to remember how it formed," said Bruce Macintosh, principal investigator of GPI (which Macintosh pronounces "gee-pie," but which some of his colleagues pronounce "gee-pee-eye"). "The details of its formation process affect how bright it is."

The GPI instrument was designed to search for young gas giants. It directly detects the light radiated by these hot, young things, whereas the Kepler Space Telescope (which has identified more than 4,000 planet candidates), finds planets by watching for the dip in the brightness of a star as the planet passes in front of it.

"To detect planets, Kepler sees their shadow," Macintosh said in the statement from Stanford University. "The Gemini Planet Imager instead sees their glow, which we refer to as direct imaging."

According to Macintosh, the brightness or temperature of a young planet could reveal how that planet formed.

There are two key ideas as to how massive gas planets form: fast or slow.

The fast-formation method suggests that the material rapidly coalesces into a hot, mixed-up ball of gas and solid material, Macintosh said. By contrast, Jupiter is thought to have formed via the slow formation process, which starts with the gradual buildup of a rocky core, followed by the rapid accretion of gassy outer layers. If the latter process is sangat slow, it may stop short of gaining the gassy layers, and form a rocky planet like Earth.

"Planets are not as bright if they form slow. If the planet forms fast, then a lot of energy gets trapped inside it," Macintosh told Space.com. "If you measure the brightness of a planet, you can maybe tell which formation pathway it follow."

According to the statement from Stanford, other Jupiter-like exoplanets discovered thus far have been "much hotter" (that is, brighter) than slow-formation models predict they should be. The GPI team hasn't yet made a definitive measurement of 51 Eridani b's brightness (to do this they must also measure its mass), but the detection of methane has raised the team's hopes about what this new, methane-rich planet will tell them about the formation of other, Jupiter-like planets in the universe.

Macintosh said it is possible that both the fast and slow formation processes take place in the universe. If that is true, he said, then scientists will want to understand how frequently each process tends to occur, because that would also influence how frequently small, rocky planets form.

"The planets in our solar system formed slowly, maybe most of the Kepler planets formed fast," Macintosh said. "What percentage of planets don't get caught up in that fast system?" [The 6 Most Earth-Like Alien Planets]


New research re-creates planet formation, super-Earths and giant planets in the laboratory

New laser-driven compression experiments reproduce the conditions deep inside exotic super-Earths and giant planet cores, and the conditions during the violent birth of Earth-like planets, documenting the material properties that determined planet formation and evolution processes.

The experiments, reported in the Jan. 23 edition of Science, reveal the unusual properties of silica -- the key constituent of rock -- under the extreme pressures and temperatures relevant to planetary formation and interior evolution.

Using laser-driven shock compression and ultrafast diagnostics, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) physicist Marius Millot and colleagues from Bayreuth University (Germany), LLNL and the University of California, Berkeley were able to measure the melting temperature of silica at 500 GPa (5 million atmospheres), a pressure comparable to the core-mantle boundary pressure for a super-Earth planet (5 Earth masses), Uranus and Neptune. It also is the regime of giant impacts that characterize the final stages of planet formation.

"Deep inside planets, extreme density, pressure and temperature strongly modify the properties of the constituent materials," Millot said. "How much heat solids can sustain before melting under pressure is key to determining a planet's internal structure and evolution, and now we can measure it directly in the laboratory."

In combination with prior melting measurements on other oxides and on iron, the new data indicate that mantle silicates and core metal have comparable melting temperatures above 300-500 GPa, suggesting that large rocky planets may commonly have long-lived oceans of magma -- molten rock -- at depth. Planetary magnetic fields can be formed in this liquid-rock layer.

"In addition, our research suggests that silica is likely solid inside Neptune, Uranus, Saturn and Jupiter cores, which sets new constraints on future improved models for the structure and evolution of these planets," Millot said.

Those advances were made possible by a breakthrough in high-pressure crystal growth techniques at Bayreuth University in Germany. There, Natalia Dubrovinskaia and colleagues managed to synthesize millimeter-sized transparent polycrystals and single crystals of stishovite, a high-density form of silica (SiO2) usually found only in minute amounts near meteor-impact craters.

Those crystals allowed Millot and colleagues to conduct the first laser-driven shock compression study of stishovite using ultrafast optical pyrometry and velocimetry at the Omega Laser Facility at the University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics.

"Stishovite, being much denser than quartz or fused-silica, stays cooler under shock compression, and that allowed us to measure the melting temperature at a much higher pressure," Millot said. "Dynamic compression of planetary-relevant materials is a very exciting field right now. Deep inside planets hydrogen is a metallic fluid, helium rains, fluid silica is a metal and water may be superionic."

In fact, the recent discovery of more than 1,000 exoplanets orbiting other stars in our galaxy reveals the broad diversity of planetary systems, planet sizes and properties. It also sets a quest for habitable worlds hosting extraterrestrial life and shines new light on our own solar system. Using the ability to reproduce in the laboratory the extreme conditions deep inside giant planets, as well as during planet formation, Millot and colleagues plan to study the exotic behavior of the main planetary constituents using dynamic compression to contribute to a better understanding of the formation of the Earth and the origin of life.


How much heat emanates from the planets after formation? - Astronomi

The internal temperatures of the planets cannot be directly measured, but they can be inferred in a variety of ways. For the Earth we can combine seismic studies and laboratory experiments to estimate the temperatures at various depths. For other planets we rely on heat radiated from their surfaces, surface features which suggest one kind of geologic history or another, theories of the origin and evolution of the planets, and theories of the origin of planetary magnetic fields. Sometimes different lines of evidence yield different estimates of planetary temperatures, but the range of temperatures given below are probably closer to the actual temperatures than not.

Theories of Planetary Formation and Evolution
From a number of lines of evidence, we know that the inner Solar System was very hot at the time the planets were forming, and that large amounts of rapidly-decaying radioactive materials were mixed into the rocky bodies that formed close to the Sun. As a result all of the inner planets must have been mostly or entirely molten during the last stages of their formation (see The Melting and Differentiation of the Planets).
The heat sources which melted the inner planets must have disappeared very early on. The Sun, which was a major source of heat at the start of things, rapidly shrank in size and brightness and became an insignificant factor within a few millions of years. The most important radioactive materials decayed to nonexistence within a few tens of millions of years. And collisional heating, which was once thought to be the most important factor, is now believed to have been a relatively minor factor, especially by the time the planets more or less reached their final size, and there was little left for them to run into. As a result the planets would have begun to resolidify almost as soon as they melted, and as the heat stored inside them gradually made its way to the surface, they would have slowly cooled off.
As heat leaked from their interiors, larger planets should have cooled more slowly than smaller ones, because with larger masses they had more heat stored inside them in comparison to their surface areas (doubling the size of a planet increases the ratio of mass to surface area by a factor of two), which means more heat has to escape to reduce their temperature by a given amount. But even if the internal heat of a smaller planet caused internal temperatures to rise just as rapidly as you go downward as in larger planets, the smaller distance between the surface and center should result in lower central temperatures for the smaller planets. Both factors suggest that smaller planets should have cooled off considerably more than larger ones in the four and a half billion years since they were formed.
Based on this we would expect the Earth, as the largest of the Terrestrial planets, to have the highest internal temperatures. Venus, with a slightly smaller mass and size, should have comparable temperatures. But Mars and Mercury, being much smaller, should be considerably cooler than either the Earth or Venus.
For the Jovian planets, the gravitational compression of the huge amounts of gaseous materials which make up their structure should have produced far higher internal temperatures early on than for the Terrestrial planets. As a result, if they had similar structures they should be much hotter. However, they are made of fluids (primarily gases compressed to densities even higher than those of typical liquids), and heat flow in fluids can be much faster than in the solid rock which makes up the outer layers of the Terrestrial planets. So although the Jovian planets were probably once much hotter than the Terrestrial planets, that cannot ensure that they are still hotter than the inner planets. All we can say based on this theory alone, is that Jupiter, being by far the largest and most massive Jovian planet, should be substantially hotter than Saturn, which should be much hotter than the smaller Jovian planets, Uranus and Neptune.
Although this theory of heating and cooling suggests relative temperatures within a given group of planets, for any given planet accurate temperature estimates depend on additional lines of evidence.

Heat Radiated By the Planets
At the current time most of the heat once stored inside the planets has leaked to their surfaces, and been radiated away. As a result, the heat of the Sun is the primary source of heat at their surfaces. In fact for the Terrestrial planets, the heat absorbed from the Sun and the heat radiated by the planets is so nearly identical that uncertainties in the two values, small though they are, are much larger than any heat still leaking from their interiors.
For the Jovian planets, however, this is not true. Jupiter radiates nearly three times as much heat as it absorbs from sunlight, meaning that two-thirds of its surface heat budget is derived from heat leaking out of its interior. For Saturn, heat leaking from the interior is considerably smaller than for Jupiter, but is still about half of the surface heat budget. As discussed in the (relatively old, relatively brief) planet by planet discussion below, this implies that Jupiter is still extraordinarily hot inside, and Saturn, though not as hot as Jupiter, is probably twice as hot (in the deep interior) as the Earth. For Uranus and Neptune the heat flow from the interior is much smaller, and they probably have lower internal temperatures than the Earth, but not as much lower as might have been thought forty or fifty years ago.

(Author's Note to Self: Need to discuss (1) the relationship of surface features to internal thermal history, (2) the relationship of magnetic fields to internal temperatures, (3) seismic studies of the Earth, and (4) "flex" measurements of Mercury and Mars)

(The following discussion, based on lecture notes now several years old, is relatively correct and complete, but needs some additions and revisions in the light of recent discoveries. A few minor updates have been inserted as indicated at various places but a considerable revision will be made in the next iteration of this page.)

The Internal Temperatures of The Terrestrial Planets
Mercury: Its extremely cratered surface implies little if any geological activity since the end of the heavy bombardment of the Solar System around 4 billion years ago. (Note added 2014: Gravimetric studies and images taken by the MESSENGER spacecraft indicate that despite its relative lack of geological activity in recent aeons, Mercury has had a more interesting geological history than suggested by earlier studies.) In addition, the small size of the planet should allow any heat left over from its formation to escape quickly. Both these factors would lead to a prediction of a low internal temperature, probably less than 4000 Fahrenheit degrees, and most likely, a completely solid interior. (Note added 2014: Although the temperature estimate is probably still in the right ballpark, the aforementioned MESSENGER observations indicate that at least a portion of Mercury's core is still molten.)

Venus: Radar imaging seems to show an extremely volcanic and otherwise substantially changed surface, with an almost complete destruction of the cratering which would have occurred in its early history, implying a substantial amount of geological activity throughout its history. The large size of the planet should allow much of the heat left over from its formation to be easily retained. However, there are also a large number of large craters which would have taken the best part of half a billion years or more to be formed by random collisions, implying that the geological activity otherwise so apparent on the planet's surface probably ceased or at least greatly decreased at some time in the past. This implies that the planet is somewhat cooler than the Earth, probably less than 10000 Fahrenheit degrees in the central core, and may be entirely solid, although substantial molten regions cannot be ruled out on this basis alone.

Earth: Shows extreme geological activity, so that major surface features such as continents almost completely change in time scales of only a few hundred million years (this is in addition to weathering and erosion, which act on much shorter time scales). In addition, its size, the largest of the Terrestrial planets, should allow it to hold in more heat than the smaller planets. Finally, earthquake studies absolutely prove the existence of a mostly molten core. As a result of laboratory studies of the behavior or materials at high temperature and pressure, its internal temperature is believed to be in excess of 12000 Fahrenheit degrees, and the central core is probably closer to 14000 degrees.

Mars: Half of its surface contains huge, partially weathered craters almost certainly dating back to over 4 billion years ago, whereas the other half has many volcanoes and stress fractures, implying at least some internal activity, although not on the same scale as Venus or the Earth, continuing to within a few million years of the present time. The small size of the planet should allow heat to escape fairly easily, and with its looks being intermediate between those of Mercury and the larger Terrestrial planets, it would be expected to have internal temperatures between 5000 and 7000 Fahrenheit degrees. This might lead to partial melting of the interior, depending upon the composition of the central regions. (Note added 2014: It is now certain that at least a portion of the outer core is molten, or partially molten but temperature estimates remain the same, differences in composition compared to the Earth being thought to be the main cause of the unexpected difference in structure.)

The Magnetic Fields of the Terrestrial Planets and of The Moon
The magnetic fields of the Terrestrial planets should be created by convective motions within molten metallic cores. In some theories this motion alone is capable of causing a net planetary field. In others theories a relatively fast rotation of the planet is also necessary, so that the Coriolis effect of the rotation can organize the internal convection parallel to (and/or anti-parallel to) the rotation axis of the planet.

Earth: Known to have a molten core, s rapid rotation, and a fairly strong magnetic field (strongest of the Terrestrial planets), nearly parallel to its axis of rotation (although it does move around a bit over long periods of time). Theory predicts a strong magnetic field under these circumstances, which agrees with observation.

The Moon: Its heavily cratered, presumably ancient surface, slow rotation, and probably solid core (based on very limited seismic studies) predict that it should have no magnetic field. No magnetic field is observed, again in agreement with theory.

Mars: Its in-between geology suggests it is probably too cool for a large molten core (2014: Although now almost certain to have a partially molten outer core, the size of the molten region is probably too small to support extensive convective motion). Because of its relatively rapid rotation (almost as fast as the Earth's), a molten core should producea magnetic field, but only a minuscule field is observed, which implies that it may be too cool (probably less than 5000 Fahrenheit degrees) to have a molten core. (following added 2005) However, fossil magnetism at the surface suggests that the rocks which contain fossil magnetism were formed at a time, 4+ billion years ago, when Mars had a substantial magnetic field and parallel striping of that fossil magnetism in certain areas suggests that in that same time frame something occurred similar to the seafloor spreading and magnetic striping caused by magnetic field reversals in the Earth. So although Mars' core must be relatively cool and almost totally solid now, it was undoubtedly hot enough to create an active magnetic field and drive some mantle activity in the very early days of the planet's history.

Venus: Its once-active geology suggests it probably had a molten core, but its large number of more recent craters suggests that the geological activity has ceased, so that the core may have cooled off and solidified, and in any event its extremely slow rotation makes it possible that it might not have a magnetic field even if it did have a molten core. NO FIELD IS OBSERVED. This means either that it does have a solid core, or that those theories which require a rapid rotation to create a magnetic field are more likely to be correct, and those which do not require a rapid rotation are wrong.

Mercury: An ancient, heavily cratered surface implies relatively little geological activity, particularly in recent times, probably low internal temperatures, and therefore probably no molten core of significant size. In addition, it has a slow rotation, so even if it had a molten core it might not have a magnetic field. HOWEVER, it does have a magnetic field, albeit only about 1% as strong as ours. (Modified in 2014) The presence of a magnetic field, combined with the absence of geological activity, was a longtime puzzle however, MESSENGER studies that show the planet has a partially molten core, so its weak magnetic field can be explained by convective motions in the partially molten region.

The Internal Temperatures of the Jovian Planets
Jupiter: Heat leaking from its surface is almost three times as much as that absorbed from sunlight, implying that almost twice as much heat is leaking out of planet as is coming from the Sun. This is partly due to large distance from the Sun (a little over 5 AU's), which causes it to receive less than 4% of the heat that we do, but this still requires a very large internal heat flow. In the case of the Earth a temperature rise of 100 degrees (F) per mile near the surface produces very little heat flow (except at unusually warm places such as volcanoes), but the crust and mantle of the Earth are made of'solid rock, and heat flows very slowly through such material. Jupiter is made of liquid hydrogen, and convective motions in such a liquid should be capable of moving heat outwards fairly easily. Estimates based on theory and lab experiments suggest that a temperature rise of only 1 Fahrenheit degree per mile might be adequate to explain such a heat flow, but since Jupiter is 44000 miles in radius, its central temperature is probably more than 50000 Fahrenheit degrees. (Despite this, the central core of ice and rocks, being compressed by incredible weights, is almost certainly solid.)

Saturn: This planet has only half its heat coming from the interior, and being further from the Sun than Jupiter, only needs 1/4 to 1/8 as much interior heat flow to produce this result. It is therefore thought that its internal temperature rises only about half as fast as in Jupiter, resulting in central temperatures of only 25000 to 35000 Fahrenheit degrees.

Uranus and Neptune are so far from us and the Sun, and have so little internal heat flow that measurements prior to the Voyager 2 flybys were almost useless. Some heat flow has now been observed, but central temperatures are still very uncertain, are probably less than 15000 degrees, and possibly less than 10000 degrees.

The Magnetic Fields of the Jovian Planets
The basic theory is the same as for the Terrestrial planets, but since there is very little rock, let alone metal in the Jovian planets, even completely molten cores and very rapid rotations would not produce fields strong enough to reach their surfaces with any substantial strength. Despite this, Jupiter has a VERY strong field, 10 times stronger at the surface than ours, which extends into space many times further than ours, and has a total energy 1000 times greater than ours. Saturn has a relatively strong field (divide Jupiter's numbers by 10), which also requires a substantial energy to create it, and Uranus and Neptune, although their fields are only a fraction of the strength of the Earth's field, still require a substantial source of magnetic energy. For Jupiter and Saturn the answer to the creation of their magnetic fields is believed to be metallic hydrogen. Normally, hydrogen is a non-metal, which tightly holds onto its lone electron. (Metallic properties are produced by atoms which have so many electrons that the outermost one can easily be detached and wander freely between the atoms in a liquid or solid state.) Under the tremendous ressures inside Jupiter and Saturn, hydrogen is compressed so much (perhaps 30 to 40 times denser than normal inside Jupiter) that many atoms occupy the space normally filled by only a single atom, and although each electron is closer to its own nucleus than to other atoms' nuclei, being so close to so many nuclei can "confuse" some of the electrons, allowing them to wander from atom to atom, producing a metallic form of hydrogen. Recent lab experiments (testing the properties of hydrogen under high pressure) and theoretical calculations (involving the pressures inside the Jovian planets) suggest that although Uranus and Neptune are not likely to contain such a form of hydrogen, Saturn should have substantial amounts, and Jupiter may be mostly made of this strange liquid. If this is correct it would easily explain the magnetic fields of Jupiter and Saturn, but for Uranus and Neptune the magnetic fields are probably caused by convective motions in an outer core made mostly of electrically conductive liquids such as seawater mixed with gases (such as methane and ammonia) compressed to the density of a liquid.


Researchers Capture First Photo of Planet in the Making

A composite image of LkCa15 shows the MagAO data, in blue, and the LBT data, in green and red.

There are 450 light-years between Earth and LkCa15, a young star with a transition disk around it, a cosmic whirling dervish, a birthplace for planets.

Despite the disk’s considerable distance from Earth and its gaseous, dusty atmosphere, University of Arizona researchers captured the first photo of a planet in the making, a planet residing in a gap in LkCa15’s disk.

Of the roughly 2,000 known exoplanets — planets that orbit a star other than our sun — only about 10 have been imaged, and that was long after they had formed, not when they were in the making.

"This is the first time that we’ve imaged a planet that we can say is still forming," says Stephanie Sallum, a UA graduate student, who with Kate Follette, a former UA graduate student now doing postdoctoral work at Stanford University, led the research.

"No one has successfully and unambiguously detected a forming planet before," Follette says. "There have always been alternate explanations, but in this case we've taken a direct picture, and it's hard to dispute that."

The researchers' results were published in the Nov. 19 issue of Nature.

Only months ago, Sallum and Follette were working independently, each on her own Ph.D. project. But serendipitously they had set their sights on the same star. Both were observing LkCa15, which is surrounded by a special kind of protoplanetary disk that contains an inner clearing, or gap.

Protoplanetary disks form around young stars using the debris left over from the star’s formation. It is suspected that planets then form inside the disk, sweeping up dust and debris as the material falls onto the planets instead of staying in the disk or falling onto the star. A gap is then cleared in which planets can reside.

The researchers’ new observations support that view.

"The reason we selected this system is because it’s built around a very young star that has material left over from the star-formation process," Follette says. "It’s like a big doughnut. This system is special because it’s one of a handful of disks that has a solar-system size gap in it. And one of the ways to create that gap is to have planets forming in there."

Sallum says researchers are just now being able to image objects that are close to and much fainter than a nearby star. "That’s because of researchers at the University of Arizona who have developed the instruments and techniques that make that difficult observation possible," she says.

Those instruments include the Large Binocular Telescope, or LBT, the world’s largest telescope, located on Arizona’s Mount Graham, and the UA’s Magellan Telescope and its adaptive optics system, or MagAO, located in Chile.

Capturing sharp images of distant objects is difficult thanks in large part to atmospheric turbulence, the mixing of hot and cold air.

"When you look through the Earth’s atmosphere, what you’re seeing is cold and hot air mixing in a turbulent way that makes stars shimmer," says Laird Close, UA astronomy professor and Follette’s graduate adviser.

"To a big telescope, it’s a fairly dramatic thing. You see a horrible-looking image, but it’s the same phenomenon that makes city lights and stars twinkle."

Josh Eisner, UA astronomy professor and Sallum’s graduate adviser, says big telescopes "always suffer from this type of thing." But by using the LBT adaptive optics system and a novel imaging technique, he and Sallum succeeded in getting the crispest infrared images yet of LkCa15.

Meanwhile, Close and Follette used Magellan’s adaptive optics system MagAO to independently corroborate Eisner and Sallum’s planetary findings. That is, using MagAO’s unique ability to work in visible wavelengths, they captured the planet’s "hydrogen alpha" spectral fingerprint, the specific wavelength of light that LkCa 15 and its planets emit as they grow. In fact, almost all young stars are identified by their hydrogen alpha light, says Close, principal investigator of MagAO.

When cosmic objects are forming, they get extremely hot, Close says. And because they’re forming from hydrogen, those objects all glow a dark red, which astronomers refer to as H-alpha, a particular wavelength of light. "It’s just like a neon sign, the way neon gas glows when it gets energized," he says.

"That single dark shade of red light is emitted by both the planet and the star as they undergo the same growing process," Follette says. "We were able to separate the light of the faint planet from the light of the much brighter star and to see that they were both growing and glowing in this very distinct shade of red."

A color so distinct, Close says, that it’s proof positive a planet is forming — something never seen before now.

"Results like this have only been made possible with the application of a lot of very advanced new technology to the business of imaging the stars," says professor Peter Tuthill of the University of Sydney, one of the study’s co-authors, "and it’s really great to see them yielding such impressive results."