Quel est le sort à long terme des géants du gaz?

Si je ne me trompe pas, on pense que la raison de ce temps turbulent sur les 4 planètes géantes gazeuses extérieures est que la pression interne est si élevée qu'elle génère de la chaleur, ce qui provoque la convection, ce qui provoque des conditions météorologiques extrêmes.

Ces planètes vont-elles toujours générer de la chaleur, ou à un moment donné vont-elles geler?

À quoi ressemblera Jupiter dans mille milliards d'années?

gas-giants

— Scottie
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Veuillez ne pas utiliser de mots comme «trillion» car ils prêtent à confusion. Il ne transmet pas le même sens dans en.wikipedia.org/wiki/Long_and_short_scales Veuillez utiliser des mots scientifiques clairs comme Gigayears.

— Envite

1 billion d'années = 1000 Gigayears.

— Rob Jeffries

Réponses:

L'échelle de temps sur laquelle Jupiter se refroidit est raisonnablement bien comprise et prédite par la génération actuelle de modèles évolutifs.

La luminosité de Jupiter est fournie principalement par la contraction gravitationnelle. Pour une planète qui ne contient que du gaz régi par la loi des gaz parfaits, l'échelle de temps appropriée pour cette contraction (ou même pour que la luminosité baisse de manière significative) est donnée par l'échelle de temps Kelvin Helmholtz. où et sont la masse et le rayon de Jupiter et est sa puissance de sortie (ou luminosité) actuelle, et le paramètre . Cette échelle de temps est de quelques ans.

τ = η \frac{G M^{2}}{R L},

$\tau = \eta \frac{GM^2}{RL},$

M

$M$

R

$R$

L

$L$

η \sim 1

$\eta \sim 1$

10^{11}

$10^{11}$

Cependant, les planètes géantes comme Jupiter ne sont pas régies par des lois de gaz parfaites. Le gaz au centre de Jupiter est suffisamment dense pour que les électrons dégénèrent. Les électrons dégénérés remplissent les niveaux d'énergie disponibles jusqu'à l'énergie de Fermi. Leurs impulsions non nulles résultantes des électrons exercent une pression de dégénérescence indépendante de la température . En conséquence, le taux de contraction ralentit et la libération d'énergie potentielle gravitationnelle ralentit; la planète est capable de se refroidir et de rester en équilibre hydrostatique sans le même degré de contraction.

On peut exprimer ce changement en utilisant le paramètre . Pour Jupiter ( Guillot et Gautier 2014 ) - c.-à-d. Que l'échelle de temps pour que la luminosité s'estompe est 30 fois plus rapide que le temps naïf de Kelvin-Helmholtz et la luminosité de Jupiter augmentera en fonction de l'inverse de son âge et diminuera d'un facteur quelques-uns en ans. Dans un billion d'années, la luminosité de Jupiter sera inférieure à ce qu'elle est maintenant d'environ 250 fois. $\eta$ $\eta \simeq 0.03$ $10^{10}$

— Rob Jeffries
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D'après ce que je sais, la chaleur a été principalement générée lors de la création des géantes gazeuses. Cela provenait en partie du frottement causé par la pression interne. Cependant, cette chaleur n'est plus produite, car elle n'a été générée que lorsque la matière est tombée sur la planète.

Ils génèrent probablement de la chaleur à partir d'éléments radioactifs dans le cœur (bien que personne n'ait jamais été en panne et vérifié s'il y en a: P), et recevront également un «coup de pouce» du chauffage solaire.

Au fil du temps, cependant, chaque source de chaleur diminuera. La chaleur latente de la naissance sera dissipée dans l'espace sous forme de rayonnement, les éléments radioactifs se désintégreront et l'étoile en orbite mourra.

Je suppose donc que Jupiter n'aura plus sa météo dramatique dans un billion d'années.

— Superdavo
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J'avais toujours appris que la chaleur du soleil n'était en aucun cas assez puissante pour entraîner les conditions météorologiques extrêmes sur ces géantes gazeuses et qu'il devait y avoir une autre source de chaleur. La théorie dominante était que la pression extrême au cœur générait suffisamment de chaleur pour provoquer cela. Mais si je comprends ce que vous dites, il ne génère plus de chaleur, mais plutôt des restes de chaleur de la genèse de la planète?

— Scottie

Je ne pense pas, car sinon il serait capable de générer de la chaleur pour toujours, ce qui en ferait une source infinie d'énergie. Cependant, l'énergie résiduelle dans un géant gazier est assez extrême et devrait durer très longtemps. C'est une situation similaire à celle d'une étoile naine blanche, qui finira par se refroidir en une naine noire morte.

— Superdavo

Jupiter peut générer sa propre chaleur grâce au processus Kelvin – Helmholtz: en rayonnant, il se contracte, convertissant ainsi le potentiel gravitationnel en thermique. La capacité thermique négative est caractéristique des systèmes liés par gravitation. La luminosité intrinsèque Jovienne actuelle est , donc l'échelle de temps thermique est Nous avons utilisé la valeur actuelle , donc les indications sur l'avenir à long terme sont incertaines. Mais le fait est qu'il n'est pas évident que l'on puisse éliminer la production de chaleur interne si rapidement!

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

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

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

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

— Stan Liou

@StanLiou L'échelle de temps Kelvin Helmholtz ne peut pas être appliquée à un objet soutenu par une pression de dégénérescence (partielle). Le taux de contraction de Jupiter ralentit et il cessera de générer de l'énergie via la contraction et de se refroidir à un rayon presque constant, soutenu par la pression de dégénérescence.

— Rob Jeffries

@ RobJeffries Oui, c'est pourquoi j'ai dit qu'il n'est pas certain dans quelle mesure les conditions actuelles indiquent l'avenir réel à long terme de Jupiter. Cependant, le fait est que rejeter la génération de chaleur interne sans analyse plus approfondie comme si elle était simplement évidente est inapproprié.

— Stan Liou

Dans "un billion" d'années, le sort de Jupiter sera affecté par la violence de notre Soleil lorsqu'il se transformera en Géant rouge, à 5 000 millions d'années (5Gy) à partir de maintenant.

Avec notre Soleil si grand et brillant, il chauffera Jupiter beaucoup plus que maintenant. Mais la perte de masse entraînera également Jupiter en spirale vers une orbite plus grande, tout en capturant une masse supplémentaire.

Ainsi, dans "un billion" d'années, Jupiter sera une planète plus grande, plus froide et plus dense (ainsi que l'a souligné Rob Jeffries dans sa réponse), une planète plus externe autour d'une naine blanche.

— Envite
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Ceci est un point intéressant. Mais, je pense qu'après un billion (1E12) d'années, ce qui s'est passé dans les 10 premiers milliards sera largement oublié. c'est-à-dire que l'évolution ultérieure dépend très faiblement des conditions initiales. Tout au plus, il "remettra l'horloge à zéro" lorsque le Soleil deviendra un géant.

— Rob Jeffries