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宇宙中的氣態巨行星是什麼?

宇宙中的氣態巨行星是什麼?

在太陽系內外的行星之間有一些明顯的差異,離太陽更近的是類地(即岩石)行星,這意味著它們是由硅酸鹽礦物和金屬組成的。然而除了小行星帶外,行星主要是由氣體組成的,而且比它們的岩石類要大得多。

這就是為什麼天文學家在提到太陽系外行星時使用「氣態巨行星」這個術語。我們對這四顆行星了解得越多,我們就越能理解沒有兩個氣態巨行星是完全一樣的。此外對太陽系以外的行星進行的研究還在進行中,外太陽系行星已經表明,有許多類型的氣體巨星不符合標準,那麼到底什麼是「天然氣巨行星」呢?

我們太陽系外行星大致相對尺寸,從左木星,土星,天王星和海王星。信用:農曆和行星研究所。圖片:Lunar and Planetary Institute

定義及分類:

根據定義:一個氣態巨行星是一個主要由氫和氦組成的行星。這個名字最初是由James Blish在1952年創造的,他是一個科幻作家,他使用這個詞來指代所有的大行星。事實上這一術語有點用詞不當,因為這些元素在氣體巨人中很大程度上是液態和固態的,這是由於內部存在的極端壓力條件造成的。

太陽系的四個氣態巨行星(從右到左):木星、土星、天王星和海王星。圖片:NASA/JPL

更重要的是氣態巨行星也被認為在其內核中含有大量的金屬和硅酸鹽物質。然而這一術語在過去幾十年裡一直被廣泛使用,並指的是所有的行星,它們都是由氣體組成的,它也與行星科學家的研究相一致,他們使用一種速記——即「岩石」、「氣體」和「冰」——根據它們中最常見的元素來對行星進行分類。

因此木星與土星之間的差異,以及天王星和海王星之間的差異。由於在後兩種行星中有高濃度的揮發物(如水、甲烷和氨),行星科學家將其歸類為「冰」——這兩顆巨大的行星通常被稱為「冰巨人」。但由於它們主要由氫和氦組成,它們仍然被認為是木星和土星的氣態巨行星。

分類:

今天根據David Sudarki(et al )在2000年的一項研究中提出的分類方案,氣體巨人被分成五類。Sudarsky和他的同事們以太陽系外巨大行星的反光原理和反射光譜為標準,根據他們的外表和反光原理,分了五種不同類型的氣體巨星,以及它們與恆星之間的距離的影響。

第1類:氨雲——這類適用於氣體巨星,它們的外觀由氨雲主導,在行星系統的外部區域被發現。換句話說它只適用於「霜凍線」之外的行星,這是一個太陽星雲的距離,從中心的原恆星,那裡的揮發性化合物——即水、氨、甲烷、二氧化碳、一氧化碳——凝結成固態的冰粒。

這些切割說明了巨型行星的內部模型。顯示木星有一層深層金屬氫氧化物覆蓋的岩心。圖片:NASA / JPL

第2類:水雲——這適用於行星的平均氣溫通常低於250 K(-23°C;9°F),因此太熱形成氨雲層。相反這些氣態巨行星的雲是由凝結的水蒸氣形成的。由於水的反射比氨更強,所以2類氣態巨行星有更高的反照率。

第3類:無雲——這個類適用於氣態巨行星一般溫暖- 350 K(80°C;170°F)到800 K(530°C;980°F)-和不形成雲層,因為他們缺乏必要的化學物質。這些行星的反射率較低,因為它們沒有反射到太空中的光。由於大氣中的甲烷吸收光線(如天王星和海王星),這些物體也會像清晰的藍色球體。

第4類:鹼金屬——這類行星經歷溫度超過900 K(627°C;1160°F),此時一氧化碳分子成為主導carbon-carrying大氣壓(而非甲烷)。大量的鹼金屬也大量增加,硅酸鹽和金屬的雲層在它們的大氣層深處形成。屬於第四類和第五類的行星被稱為「熱木星」。

第5類:硅酸類雲——這適用於熱氣態巨行星,溫度高於1400 K(1100°C較低的2100°F)或重力比木星大的叫冷行星。對於這些氣態巨行星來說,硅酸鹽和鐵雲甲板被認為是在大氣中很高的。就前者而言這些氣態巨行星很可能會因熱輻射和反射光而發出紅光。

藝術家的「熱木星」系外行星的概念圖,一個與恆星非常接近的氣體巨行星。圖片:NASA/JPL-Caltech)

系外行星:

對系外行星的研究也揭示了其他種類的氣體巨星,它們比太陽能的同類產品質量更大,超級木星和許多類似的巨型木星。其他的發現與他們的太陽能相對應的比例是很小的,而有些則是如此之大,以至於他們都羞於成為明星。然而考慮到它們與地球的距離,它們的光譜和反射原理是無法準確測量的。

因此系外行星的獵人傾向於根據他們的外表尺寸和距離從他們的恆星出發,指定額外的太陽氣體巨星。在前者中它們通常被稱為「超級木星」,木星大小,海王星大小。迄今為止這些類型的系外行星佔了開普勒和其他任務的大部分發現,因為它們更大的尺寸和更大的距離使它們成為最容易探測到的。

就其距離太陽的距離而言,外行星獵手將超太陽氣體巨行星分為兩類:「冷氣體巨星」和「熱木星」,典型的冷氫富氣體巨行星比木星質量大,但比木星質量小1。6倍,體積也只比木星大一點點,在這上面的質量重力會使行星收縮。

系外行星研究也發現了一種被稱為「氣體小矮人」的行星,它適用於沒有太陽系的氣態巨行星那麼大的氫行星。這些恆星被觀察到靠近它們各自的恆星的軌道,使它們比在更遠的距離上運行的行星更快地失去大氣質量。

對於在13到75 - 80木星質量範圍內的氣體巨星,使用「褐矮星」一詞。這個名稱是為最大的行星/亞星物體預留的;換句話說物體非常大,但質量不夠大,無法在核心中進行核聚變成為恆星,在這個範圍下面是小棕矮星,而上面的任何東西都被稱為最輕的紅矮星(M9 V)。

一個藝術家對t型褐矮星的概念圖。圖片:Tyrogthekreeper/Wikimedia Commons

就像所有的天文現象一樣,氣態巨行星是多樣的,複雜的,非常迷人。在探索我們太陽系的氣態巨行星的任務中,我們直接對遙遠的行星進行越來越複雜的研究,我們對這些神秘物體的了解持續增長。因此我們對恆星系統如何形成和演化的理解也是如此。

作者:Matt Williams

編譯:中子星

審校:博科園

本文為作者原創,未經授權不得轉載

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