Планетная масса - Planetary mass

Планетная масса является мерой масса из планета -подобный объект. В рамках Солнечная система, планеты обычно измеряются в астрономическая система единиц, где единицей массы является солнечная масса (M☉ ) масса солнце. При изучении внесолнечные планеты, единицей измерения обычно является масса Юпитер (MJ ) для больших газовый гигант планет, а масса земной шар (M⊕ ) для небольших каменистых планеты земной группы.

Масса планеты в Солнечной системе - это регулируемый параметр при подготовке эфемериды. Есть три варианта вычисления планетарной массы:

  • Если на планете есть естественные спутники, его массу можно рассчитать, используя Закон всемирного тяготения Ньютона вывести обобщение Третий закон Кеплера это включает массу планеты и ее луны. Это позволило на раннем этапе измерить массу Юпитера в единицах измерения солнечная масса.
  • О массе планеты можно судить по ее влиянию на орбиты других планет. В 1931-1948 гг. Некорректное применение этого метода привело к неверным расчетам масса Плутона.
  • Данные влияния, собранные с орбит космические зонды может быть использован. Примеры включают Вояджер зонды к внешним планетам и МЕССЕНДЖЕР космический корабль Меркурий.
  • Кроме того, множество других методов могут дать разумные приближения. Например, Варуна, потенциальный карликовая планета, очень быстро вращается вокруг своей оси, как и карликовая планета Хаумеа. Хаумеа должна иметь очень высокую плотность, чтобы не быть разорванной на части. центробежные силы. Посредством некоторых расчетов можно установить ограничение на плотность объекта. Таким образом, если размер объекта известен, можно определить предел массы. См. Ссылки в вышеупомянутых статьях для получения дополнительной информации об этом.

Выбор единиц

Выбор солнечная масса, M☉, поскольку базовая единица для планетарной массы берется непосредственно из расчетов, используемых для определения планетарной массы. В наиболее точном случае земной шар сама масса известна в единицах масс Солнца до двенадцати значимые фигуры: та же масса, в пересчете на килограммы или другие наземные единицы, известны только с пятью значащими цифрами, что меньше одной миллионной точности.[1]

Разница заключается в том, как рассчитываются массы планет. Невозможно «взвесить» планету, и тем более Солнце, по эталонам массы, которые используются в лаборатории. С другой стороны, орбиты планет дают большой диапазон наблюдательных данных относительно относительного положения каждого тела, и эти положения можно сравнить с их относительными массами, используя Закон всемирного тяготения Ньютона (с небольшими поправками на Общая теория относительности где необходимо). Чтобы преобразовать эти относительные массы в земные единицы, такие как килограмм, необходимо знать значение Ньютоновская гравитационная постоянная, грамм. Эту константу чрезвычайно трудно измерить на практике, и ее значение известно только с точностью до одной десятитысячной.[2]

Масса Солнца - довольно большая единица в масштабе Солнечной системы: 1,9884 (2)×1030 кг.[1] Самая большая планета, Юпитер, составляет 0,09% массы Солнца, в то время как масса Земли составляет около трех миллионных (0,0003%) массы Солнца. В литературе используются различные условные обозначения, чтобы решить эту проблему: например, инвертирование отношения, чтобы указать массу планеты в «количестве планет», которое потребуется для образования одного Солнца.[1] Здесь мы решили перечислить все планетные массы в «микроСолнце» - то есть масса Земли составляет чуть более трех «микроСолнц», или трех миллионных масс Солнца - если они специально не указаны в килограммах.

При сравнении планет между собой часто бывает удобно использовать масса Земли (ME или же M⊕) в качестве стандарта, особенно для планеты земной группы. Для массы газовые гиганты, а также для большинства внесолнечные планеты и коричневые карлики, масса Юпитера (MJ) - удобное сравнение.

Массы планет относительно массы Земли M⊕ и Юпитер MJ
ПланетаМеркурийВенераземной шарМарсЮпитерСатурнУранНептун
Масса Земли M⊕0.05530.81510.1075317.895.214.617.2
Масса Юпитера MJ0.000 170.002 560.003 150.000 3410.2990.0460.054

Планетная масса и формирование планет

Веста это второе по величине тело в пояс астероидов после Церера. Это изображение из Космический телескоп Хаббла показывает, что он не является идеально сферическим.

Масса планеты имеет последствия для ее структуры, поскольку имеет большую массу, особенно когда она находится в руках процесс формирования. Тело, которое составляет более одной десятитысячной массы Земли, может преодолеть ее прочность на сжатие и достичь гидростатическое равновесие: это будет примерно сферический, а с 2006 г. классифицируется как карликовая планета если он вращается вокруг Солнца (то есть, если это не спутник другой планеты). Меньшие тела вроде астероиды классифицируются как "небольшие тела Солнечной системы ".

Карликовая планета по определению недостаточно массивна, чтобы иметь гравитационное очистил соседний регион из планетезимали: точно не известно, насколько большой должна быть планета, чтобы она могла эффективно очистить свои окрестности, но одной десятой массы Земли, безусловно, достаточно.

На меньших планетах сохраняется только силикаты, и являются планеты земной группы как Земля или Марс, хотя и многократноME суперземли были обнаружены. Внутренняя структура каменистых планет зависит от массы: например, тектоника плит может потребоваться минимальная масса для создания достаточных температур и давлений, чтобы это произошло.[3]

Если протопланета вырастет на нарастание до более чем 5–10M⊕, его сила тяжести станет достаточно большой, чтобы удерживать водород в его атмосфера. В этом случае он перерастет в газовый гигант. Если планета тогда начинается миграция, он может хорошо двигаться в пределах своей системы линия мороза, и стать горячий Юпитер вращается очень близко к своей звезде, а затем постепенно теряет небольшое количество массы, поскольку излучение звезды разрывает ее атмосферу.

Теоретическая минимальная масса звезды, которая может иметь водород слияние в ядре оценивается примерно в 75 MJхотя слияние дейтерий может происходить при массах всего 13 юпитеров.[4][5][6]

Значения из эфемерид DE405

Эфемериды DE405 / LE405 от Лаборатория реактивного движения[1][7] - это широко используемые эфемериды, датируемые 1998 годом и охватывающие всю Солнечную систему. Таким образом, массы планет образуют самосогласованный набор, что не всегда верно для более свежих данных (см. Ниже).

 Планетная масса × 10−6
(относительно Солнца)		Масса спутника
(относительно
родительская планета)		Абсолютное
масса		Иметь в виду
плотность
Планеты и естественные спутники
Меркурий0.166013.301×1023 кг5,43 г / см3
Венера2.44783834.867×1024 кг5,24 г / см3
земной шар /Луна система3.040432633336.046×1024 кг4,4309 г / см3
 земной шар3.003489596325.972×1024 кг 
Луна 1.23000383×10−27.348×1022 кг 
Марс0.32271516.417×1023 кг3,91 г / см3
Юпитер954.791941.899×1027 кг1,24 г / см3
 Ио 4.70×10−58.93×1022 кг 
Европа 2.53×10−54.80×1022 кг 
Ганимед 7.80×10−51.48×1023 кг 
Каллисто 5.67×10−51.08×1023 кг 
Сатурн285.88605.685×1026 кг0,62 г / см3
 Титан 2.37×10−41.35×1023 кг 
Уран43.662448.682×1025 кг1,24 г / см3
 Титания 4.06×10−53.52×1021 кг 
Оберон 3.47×10−53.01×1021 кг 
Нептун51.513891.024×1026 кг1,61 г / см3
 Тритон 2.09×10−42.14×1022 кг 
Карликовые планеты и астероиды
Плутон /Харон система0.0073961.471×1022 кг2,06 г / см3
Церера0.000479.3×1020 кг
Веста0.000132.6×1020 кг
Паллада0.000102.0×1020 кг

Масса Земли и лунная масса

Если у планеты есть естественные спутники, ее масса обычно указывается для всей системы (планета + спутники), поскольку именно масса всей системы действует как возмущение на орбитах других планет. Различие очень незначительное, поскольку естественные спутники намного меньше своих родительских планет (как это видно в таблице выше, где перечислены только самые большие спутники).

Примером могут служить Земля и Луна, отчасти потому, что Луна необычно велика (чуть более 1% массы Земли) по сравнению с ее родительской планетой по сравнению с другими естественными спутниками. Имеются также очень точные данные по системе Земля – Луна, особенно из Лунный лазерный эксперимент (LLR).

В геоцентрическая гравитационная постоянная - произведение массы Земли на Ньютоновская гравитационная постоянная - могут быть измерены с высокой точностью с орбит Луны и искусственных спутников. Отношение двух масс можно определить по небольшому колебанию орбиты Земли, вызванному гравитационным притяжением Луны.

Более свежие значения

Создание полных и высокоточных эфемерид Солнечной системы - непростая задача.[8] Возможно (и несколько проще) построить частичные эфемериды, относящиеся только к интересующим планетам (или карликовым планетам, спутникам, астероидам), «зафиксировав» движение других планет в модели. Эти два метода не являются строго эквивалентными, особенно когда дело доходит до определения неопределенностей результатов: однако «наилучшие» оценки - по крайней мере, с точки зрения указанных неопределенностей в результате - для масс малых планет и астероидов обычно получаются из частичных эфемериды.

Тем не менее, новые полные эфемериды продолжают готовиться, в первую очередь эфемериды EPM2004 от Института прикладной астрономии Российская Академия Наук. EPM2004 основан на 317014 отдельных наблюдений между 1913 и 2003 годами, что более чем в семь раз больше, чем у DE405, и дали более точные массы для Церера и пять астероидов.[8]

Планетная масса × 10−6 (относительно Солнца)
 EPM2004[8]Витальяно и Штосс
(2006)[9]		Браун и Шаллер
(2007)[10]		Толен и другие.
(2008)[11]		Питьева и Стэндиш
(2009)[12]		Рагоззин и Браун
(2009)[13]
136199 Эрис  84.0(1.0)×10−4   
134340 Плутон   73.224(15)×10−4 [примечание 1]  
136108 Хаумеа     20.1(2)×10−4
1 Церера4.753(7)×10−4   4.72(3)×10−4 
4 Веста1.344(1)×10−4   1.35(3)×10−4 
2 Паллада1.027(3)×10−4   1.03(3)×10−4 
15 Евномия 0.164(6)×10−4    
3 Юнона0.151(3)×10−4     
7 Ирис0.063(1)×10−4     
324 Бамберга0.055(1)×10−4     

Лучшие оценки IAU (2009 г.)

Новый набор «текущих лучших оценок» для различных астрономические константы[14] был утвержден 27-й Генеральной ассамблеей Международный астрономический союз (IAU) в августе 2009 г.[15]

ПланетаСоотношение солнечной массы
к планетарной массе
(включая спутники)		Планетная масса × 10−6
(относительно Солнца)		Масса (кг)Ссылка
Меркурий6023.6(3)×1030.166014(8)3.3010(3)×1023[16]
Венера408.523719(8)×1032.08106272(3)4.1380(4)×1024[17]
Марс3098.70359(2)×1030.3232371722(21)6.4273(6)×1023[18]
Юпитер [заметка 2]1.0473486(17)×103954.7919(15)1.89852(19)×1027[19]
Сатурн3.4979018(1)×103285.885670(8)5.6846(6)×1026[20]
Уран22.90298(3)×10343.66244(6)8.6819(9)×1025[21]
Нептун19.41226(3)×10351.51384(8)1.02431(10)×1026[22]

Лучшие текущие оценки IAU (2012 г.)

Набор «текущих наилучших оценок» за 2009 год был обновлен в 2012 году резолюцией B2 XXVIII Генеральной Ассамблеи IAU.[23]Улучшенные значения были даны для Меркурия и Урана (а также для системы Плутона и Весты).

ПланетаСоотношение солнечной массы
к планетарной массе
(включая спутники)
Меркурий6023.657 33 (24)×103
Уран22.902951(17)×103

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Для простоты сравнения с другими значениями масса, указанная в таблице, относится к системе Плутона в целом: это также значение, которое фигурирует в «текущих лучших оценках» МАС. Толен и другие. также дайте оценки масс четырех тел, составляющих систему Плутона: Плутон 6.558(28)×10−9 M☉, 1.304(5)×1022 кг; Харон 7.64(21)×10−10 M☉, 1.52(4)×1021 кг; Nix 2.9×10−13 M☉, 5.8×1017 кг; Гидра 1.6×10−13 M☉, 3.2×1017 кг.
  2. ^ Значение, указанное Рабочей группой МАС по числовым стандартам для фундаментальной астрономии (1.047348644×103) несовместима с указанной неопределенностью (1,7×10−3): здесь значение округлено.

Рекомендации

  1. ^ а б c d "Избранные астрономические константы 2009 г. В архиве 2009-03-27 на Wayback Machine " в Астрономический альманах онлайн, USNO –УХО.
  2. ^ Мор, Питер Дж .; Тейлор, Барри Н .; Ньюэлл, Дэвид Б. (2008). "CODATA Рекомендуемые значения фундаментальных физических констант: 2006 г." (PDF). Обзоры современной физики. 80 (2): 633–730. arXiv:0801.0028. Bibcode:2008РвМП ... 80..633М. Дои:10.1103 / RevModPhys.80.633. Архивировано из оригинал (PDF) на 2017-10-01.Прямая ссылка на значение..
  3. ^ Пресс-релиз CfA №: 2008-02 9 января 2008 г. Земля: пограничная планета для жизни?
  4. ^ Босс, Алан (2001-04-03), Это планеты или что?, Вашингтонский институт Карнеги, архив из оригинал на 2006-09-28, получено 2006-06-08
  5. ^ Шига, Дэвид (17 августа 2006 г.), Обнаружен массовый разрыв между звездами и коричневыми карликами, Новый ученый, получено 2006-08-23
  6. ^ Басри, Гибор (2000), "Наблюдения за коричневыми карликами", Ежегодный обзор астрономии и астрофизики, 38: 485, Bibcode:2000ARA и A..38..485B, Дои:10.1146 / annurev.astro.38.1.485
  7. ^ Стэндиш, Э. М. (1998), JPL Планетарные и лунные эфемериды, DE405 / LE405 (PDF), JPL IOM 312.F-98-048.
  8. ^ а б c Питьева, Э.В. (2005), «Высокоточные эфемериды планет - EPM и определение некоторых астрономических констант» (PDF), Исследования Солнечной Системы, 39 (3): 176–86, Bibcode:2005СоСыР..39..176П, Дои:10.1007 / s11208-005-0033-2.
  9. ^ Vitagliano, A .; Стосс, Р. М. (2006), «Новое определение массы (15) Eunomia, основанное на очень близком столкновении с (50278) 2000CZ12», Astron. Astrophys., 455 (3): L29–31, Bibcode:2006A & A ... 455L..29V, Дои:10.1051/0004-6361:20065760.
  10. ^ Браун, Майкл Э.; Шаллер, Эмили Л. (15 июня 2007 г.). «Масса карликовой планеты Эрида». Наука. 316 (5831): 1585. Bibcode:2007Научный ... 316.1585B. Дои:10.1126 / science.1139415. PMID  17569855.CS1 maint: ref = harv (связь)
  11. ^ Толен, Дэвид Дж .; Buie, Marc W .; Гранди, Уильям М .; Эллиотт, Гаррет Т. (2008), «Массы Никса и Гидры», Astron. Дж., 135 (3): 777–84, arXiv:0712.1261, Bibcode:2008AJ .... 135..777T, Дои:10.1088/0004-6256/135/3/777.
  12. ^ Питьева, Э.В.; Стэндиш, Э. М. (2009), «Предложения по массам трех крупнейших астероидов, соотношению масс Луны и Земли и астрономической единице», Селест. Мех. Дин. Astron., 103 (4): 365–72, Bibcode:2009CeMDA.103..365P, Дои:10.1007 / s10569-009-9203-8.
  13. ^ Рагоззин, Дарин; Браун, Майкл Э. (2009), "Орбиты и массы спутников карликовой планеты Хаумеа = 2003 EL61", Astron. Дж., 137 (6): 4766–76, arXiv:0903.4213, Bibcode:2009AJ .... 137.4766R, Дои:10.1088/0004-6256/137/6/4766.
  14. ^ РГ IAU по текущим лучшим оценкам NSFA, заархивировано из оригинал 8 декабря 2009 г., получено 2009-09-25
  15. ^ «Заключительное заседание Генеральной Ассамблеи» (PDF), Estrella d'Alva, п. 1, 2009-08-14, архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-06.
  16. ^ Андерсон, Джон Д .; Коломбо, Джузеппе; Эспозито, Паскуале Б.; Lau, Eunice L .; и другие. (1987), "Массовое гравитационное поле и эфемериды Меркурия", Икар, 71 (3): 337–49, Bibcode:1987Icar ... 71..337A, Дои:10.1016/0019-1035(87)90033-9.
  17. ^ Коноплив, А. С .; Banerdt, W. B .; Шегрен, В. Л. (1999), "Гравитация Венеры: 180-я степень и модель порядка", Икар, 139 (1): 3–18, Bibcode:1999Icar..139 .... 3K, CiteSeerX  10.1.1.524.5176, Дои:10.1006 / icar.1999.6086.
  18. ^ Коноплив, Алексей С .; Йодер, Чарльз Ф .; Стэндиш, Э. Майлз; Юань, Дах-Нин; и другие. (2006), «Глобальное решение для статической и сезонной гравитации Марса, ориентации Марса, масс Фобоса и Деймоса и эфемерид Марса», Икар, 182 (1): 23–50, Bibcode:2006Icar..182 ... 23K, Дои:10.1016 / j.icarus.2005.12.025.
  19. ^ Jacobson, R.A .; Haw, R.J .; McElrath, T. P .; Антреасиан, П. Г. (2000), "Комплексная реконструкция орбиты для миссии Galileo Prime в системе J2000", Журнал астронавтических наук, 48 (4): 495–516.
  20. ^ Jacobson, R.A .; Antreasian, P. G .; Bordi, J. J .; Criddle, K. E .; и другие. (2006), "Гравитационное поле системы Сатурна по спутниковым наблюдениям и данным слежения за космическими аппаратами", Astron. Дж., 132 (6): 2520–26, Bibcode:2006AJ .... 132.2520J, Дои:10.1086/508812.
  21. ^ Jacobson, R.A .; Кэмпбелл, Дж. К .; Тейлор, А. Х .; Синотт, С. П. (1992), "Массы Урана и его основных спутников по данным слежения" Вояджер "и наземным спутникам Урана", Astron. Дж., 103 (6): 2068–78, Bibcode:1992AJ .... 103.2068J, Дои:10.1086/116211.
  22. ^ Джейкобсон, Р. А. (3 апреля 2009 г.). "Орбиты спутников Нептуна и ориентация полюса Нептуна". Астрономический журнал. 137 (5): 4322–4329. Bibcode:2009AJ .... 137.4322J. Дои:10.1088/0004-6256/137/5/4322.CS1 maint: ref = harv (связь)
  23. ^ IAU Division I Working Group Numerical Standards for Fundamental Astronomy Astronomical Constants: Current Best Assessment (CBE), заархивировано из оригинал на 2016-08-26, получено 2019-06-17