Jowisz jest największą planetą w Układzie Słonecznym. Pod względem masy Jowisz góruje nad innymi planetami. Gdyby zebrać wszystkie inne planety razem w jedną masę, Jowisz nadal byłby 2,5 razy masywniejszy. Trudno zrozumieć, jak ogromny jest Jowisz. Ale odkąd w ostatnich dziesięcioleciach odkryliśmy tysiące egzoplanet, rodzi się interesujące pytanie o porównanie Jowisza. Innymi słowy, jak duża może być planeta? Odpowiedź jest bardziej subtelna, niż mogłoby się wydawać.
Prosta odpowiedź brzmi: duża planeta jest czymś zbyt małym, by być gwiazdą. Zwykła definicja gwiazdy mówi, że musi ona być wystarczająco duża, aby stopić wodór z helem w jądrze. Gwiazda o głównej sekwencji to taka, w której ciepło i ciśnienie wytwarzane przez fuzję są równoważone przez ciężar grawitacyjny gwiazdy.
Gwiazdy zbudowane są głównie z wodoru i helu i można bezpiecznie założyć, że największe planety miałyby podobny skład. Słońce składa się z około 75% wodoru i 24% helu, pozostałe 1% to cięższe pierwiastki. Jowisz zawiera około 71% wodoru, 24% helu i 5% innych. Załóżmy, że każda duża planeta zawiera 3 części wodoru na 1 część
hel.
Dopóki nie dojdzie do fuzji, duża planeta będzie w stanie równowagi hydrostatycznej. Oznacza to, że ciężar całego gazu, który próbuje się zapaść, jest równoważony przez ciśnienie gazu, który nie chce zostać ściśnięty. Im więcej masz masy, tym bardziej wnętrze jest ściśnięte i robi się cieplej. Przy wystarczającej masie wnętrze staje się wystarczająco gorące, aby wodór zaczął stapiać się z helem. Ta masa krytyczna wynosi około 80 Jowisza. Wszystko o większej masie niż ta musi być gwiazdą.
Ale to nie jest najlepsza górna granica, ponieważ we wszechświecie są obiekty znane jako brązowe karły. Te obiekty są podobne do gwiazd, ponieważ nie są w równowadze hydrostatycznej. Ich wnętrza wytwarzają ciepło jak gwiazda i mogą nawet stopić wodór w deuter, ale nie w hel. Z drugiej strony, najmniejsze brązowe karły mają chłodne, mętne powierzchnie i wyglądałyby jak planeta. Dolna granica masy brązowego karła wynosi około 13 mas Jowisza.
Pod względem masy, 13 mas Jowisza jest dobrą górną granicą. Ale jeśli chodzi o duże planety, te najbardziej masywne nie są tak naprawdę największymi rozmiarami.
W przeciwieństwie do ciał stałych, które nie kompresują się znacznie pod ciśnieniem, gazy mogą ulegać znacznej kompresji. Kiedy dodajesz masę do planety gazowej, jej objętość nie wzrasta o tę samą ilość. Na przykład Jowisz jest trzykrotnością masy Saturna, ale jest mniejszy niż 20% objętościowo. Wracając do naszego modelu równowagi hydrostatycznej, najbardziej masywne planety są w rzeczywistości mniejsze niż Jowisz.
Kilka lat temu Jingjing Chen i David Kipping przyjrzeli się, jak rozmiar planet może się różnić w zależności od ich masy. [^ 1] Odkryli, że istnieje punkt przejściowy między światami typu Neptuna, w którym większa masa ma tendencję do zwiększania wielkości i Jowisza - światy typu, w których większa masa ma tendencję do większego sprężania gazu. Ten punkt krytyczny stanowi około połowy masy Jowisza, więc największe planety powinny mieć tę masę. Zgadza się to z obserwacją. Największą potwierdzoną egzoplanetą jest WASP-17b. Jest mniej więcej dwa razy większy od Jowisza, ale ma tylko 49% masy Jowisza.
Oczywiście w grę wchodzą inne czynniki, takie jak skład i temperatura. Największe znane egzoplanety są zwykle gorącymi Jowiszami krążącymi blisko swojej gwiazdy. Oznacza to, że są znacznie cieplejsze i mniej gęste niż zimna planeta Jowisza, taka jak Jowisz. Jowisz ma również gęsty skalisty rdzeń, co oznacza, że jest mniejszy niż byłby, gdyby był zbudowany tylko z wodoru i helu.
Ale nawet biorąc pod uwagę te czynniki, planety Jowisza są wyraźnie największymi i najbardziej masywnymi planetami, jakie mogą istnieć. Jowisz nie jest największą planetą we wszechświecie, ale jest jednym z gigantów.
Źródło: Probabilistyczne prognozowanie mas i promieni innych światów, autorstwa Chena, Jingjinga i Davida Kippinga.
