在过去的25年里,天文学家们在太阳系之外发现了3700多个世界。他们怎么找到它们的?
系外行星天文学家的图像已经发现了3700多颗系外行星,或太阳系外的行星,包括600多个多行星系统,另有近5000个候选行星等待确认。被发现这些的这些系外行星包括与木星相似的大行星、较小的地球大小的行星,甚至还有7颗密度与地球、金星和火星相似的岩石行星。
许多这些发现都归功于美国宇航局的开普勒任务及其继任者K2,该项目使用专用的天基望远镜测量我们的星系附近一些小型的和地球大小类似的行星。美国宇航局的下一个主要的系外行星狩猎工作,称为TESS,简称过境系外行星测量卫星,将调查地球附近的20多万颗恒星,并有望发现数千个新世界。TESS于2018年4月发射并使用SpaceX猎鹰9号火箭。
那么,天文学家是如何发现系外行星的,我们实际上对太阳系外的这些世界又了解多少?
过境系外行星
开普勒和TESS天基飞行任务所使用的方法,以及发现最外行星的方法,是利用系外行星探测的过境方法。据说当一颗行星经过我们和一颗恒星之间时,这颗行星正在过境。在我们自己的太阳系中,当水星和金星的轨道将水星和金星带到地球和太阳之间时,我们就能看到它们的过境。
尽管行星相对于恒星而言是小的,但当行星的路径穿过我们对于主恒星的视野时,行星会阻挡来自该恒星的少量光。当行星位于恒星前面时,天文学家可以测量来自恒星的光的亮度的下降值,以及观测亮度下降的时间长度。知道了恒星的质量,在开普勒行星运动第三定律的一点帮助下,这两个测量值可以告诉你行星离它的主星有多远。根据行星轨道的大小从而估计那里的温度是否适合液态水,这是适合生命生存的关键。如果天文学家对主星的大小有估计,他们也可以推断出行星本身的大小。
图解:利用凌日法侦测系外行星,下方的线图代表不同时间地球所接收到的光量。
由于我们事先不知道哪些恒星周围有行星,以及哪些恒星有完美的对齐,所以这些行星将通过我们和它们的主恒星之间,因为他们的轨道,我们也不能预测这些过境什么时候会发生,使用过境方法发现系外行星需要对数十万颗恒星进行连续监测。因此,美国宇航局已经投资了专门的太空望远镜,如TESS和开普勒,他们致力于这种监测。
径向速度方法
尽管由于这些行星探测空间任务,寻找系外行星的过境方法现在更为普遍,但系外行星探测的第一次激增实际上是使用一种称为径向速度或多普勒方法的不同技术。为了理解这种方法,我们首先必须了解一些关于行星轨道。我们认为行星是围绕其主恒星运行的,但实际上恒星和行星一起围绕它们共同的质量中心运行。当你有两个质量相等的轨道物体时,它们的质量中心将位于它们之间的中点,因此它们看起来会围绕一个中心点在轨道上相互追逐。然而,恒星的质量比行星大得多,所以这个系统的质量中心离主恒星更近。这种不平衡导致行星的轨道变大,只有一颗微小的摆动在主恒星的位置。虽然很小,但这种摆动仍然是可以测量的。
图解:太阳系的质量中心运动相对于太阳的位置。
天文学家通过寻找发射线的多普勒偏移来监测恒星的位置,指示相对于我们(观众)的向前或向后运动。在600-700颗系外行星之间已经以这种方式被发现,它仍然是从地面观测站使用最简单的技术。然而,行星越大,行星离主恒星越近,其引力对主恒星的影响就越大,即恒星的摆动越大。因此,多普勒方法更适合于寻找非常接近其主恒星的巨大行星,这种行星因此被昵称为"热木星"。
系外行星的直接成像
你可能想知道为什么天文学家使用这些间接的方法来寻找系外行星,而不是直接拍摄它们的照片。好吧,这是由于行星本身是不能发出自己的(光学)光,而只能反射来自它主星的光,而且它们比主恒星小得多,所以寻找行星的光就像是试图挑出一只悬挂在搜索灯旁边的萤火虫,还是从千里之外寻找。
图解:艺术家印象下的脉冲星PSR 1257+12的行星系统。
然而,现在天文学家们知道有数千颗系外行星等待被发现,他们正在开发一种新技术,通过以某种方式遮蔽主恒星的光来实现直接成像。这种阻挡可以在光线进入望远镜之前或之后进行。直接成像方法仍处于起步阶段,但它已经显示出了大好的前景,使用这种方法已经发现了大约40颗系外行星。直接图像有可能告诉我们更多关于行星的信息,包括关于行星的大气层和组成的信息,而不是我们可以从更多的间接方法中学到的,因此它是系外行星研究的一个重要领域。
系外行星的驱动力是,我们渴望了解我们生存的一小个角落是多么常见或独特,最终证实我们在宇宙中是否是独一无二。
系外行星检测方法
还有其他一些寻找系外行星的方法,尽管不太常见,包括引力微透镜。爱因斯坦的广义相对论告诉我们,穿过引力场的光线会围绕产生该场的巨量物体弯曲,这种效应称为透镜效应,或者在行星等质量极低的物体(如行星、微透镜)的情况下。因此,当行星在我们和遥远恒星之间经过时,有可能看到远处恒星围绕行星弯曲的光。在这个过程中,恒星的光也会被放大,因此观察恒星亮度的这个短暂峰值不仅会显示一个物体在恒星前面经过,还会显示这个移动物体的质量。不幸的是,这些微透镜事件通常不会重复,因此不容易验证。
发现的第一颗系外行星是由一种完全不同的技术——脉冲星计时——发现的。脉冲星,或快速旋转的中子星,发射光束发射,类似于灯塔上的搜索灯,在旋转的时间上非常精确。事实上,它们是如此的精确和可预测,以至于即使轨道行星的引力影响所产生的微小的摆动,也会在通过频闪光的时间上引起足够大的变化,以便天文学家进行探测。虽然第一颗系外行星是使用这种技术发现的,但脉冲星周围的恶劣条件意味着这些行星不适合像我们这样的生命。
图解:艺术家概念下环绕着织女星周围的两颗冥王星大小的矮行星碰撞。
寻找系外行星的驱动力是,我们渴望了解我们生存的一小个角落是多么常见或独特,最终如果我们在宇宙中独一无二。天文学家已经使用这些现有的技术来识别系外行星,并可以通过确定行星的大小以及行星是否位于恒星的可居住区来比较这些行星和我们的地球。然而,他们需要更多的信息来确定行星的可居住性。例如,在地球上,如果没有我们的大气层,我们就无法生存,我们了解系外行星周围大气层的努力才刚刚开始。
参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3. quickanddirtytips-阿雨
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长期以来,人们一直在茫茫宇宙中寻找着未知的外星生命,其中那些具有与地球相似的地质环境的行星被称为“类地行星”,也被认为是外星生命最可能存在的地方。但是,这些行星真的像地球一样吗?
外星岩石不一样
类地行星指的是以金属为核心,岩石构成地壳的固态行星,科学家认为,这样的行星与地球类似,容易获得相似的磁场和海洋,适合生命生存。可是,他们没想到,虽然外星岩石表面看上去与地球岩石没两样,它们的内里却是大不相同。
科学家们已经知道,一旦某个主序星(就像我们的太阳)能量耗尽,它首先会膨胀成红巨星,然后缩小变成白矮星,在此过程中会捕获周围轨道上的行星,来自行星上的岩石物质会“污染”这些白矮星。通过分析白矮星的大气层中的物质,寻找原本不应存在于白矮星中的元素,比如钙、硅、镁和铁等;然后通过测量不同元素的丰度,科学家们可以计算出它们最初所在行星的矿物和岩石的组成。运用这个方法,美国加利福尼亚州立大学的研究人员凯斯·普提尔卡和许偲艺分析了距离地球650光年左右的23颗白矮星,对外星岩石有了一些了解。
令人惊讶的是,研究人员发现外星岩石的组成与地球岩石不太一样,外星岩石以钙、镁和铁等金属元素为主,但地球岩石中常见的硅含量却很低;反过来,外星岩石中常见的铁纹石在地球上却难觅踪影。铁纹石具有金属光泽,呈灰色,是由铁和镍金属矿物组成,地球上的铁纹石主要通过陨石带来。
而且,外星岩石的类型比我们太阳系的岩石类型更多样化,其中大部分从未在地球上发现过。橄榄岩是一种富含镁铁硅酸盐的岩石,是由快速冷却的火山岩浆形成的,方解石则是一种碳酸钙矿物,是海水、矿床和岩浆中的碳酸钙经过长时间的沉积而成的。这两种岩石无论组成还是成因都截然不同,在地球上从未共存过,但是被科学家称为“方解石橄榄岩”的岩石在太阳系外的类地行星中却不鲜见。此外,“石英辉石岩”“方镁石纯辉石”和“方镁石方长石”等也是地球上从未发现的新型石头。
石头撑起了星球
科学家不知道这些外星岩石是如何形成的,但他们知道,不同的岩石类型会塑造不同的星球。
行星形成初期,内部温度很高,大部分物质处于熔融状态,火山很容易喷发,高温使得液态水无法留存,海洋和湖泊无法形成。漫长的时间之后,行星的地质活动变缓,温度开始下降,岩石固结,其中较重的物质沉向内部,形成地核和地幔;较轻的物质则分布在表面,形成地壳。当温度降到比水的沸点更低时,水蒸气开始凝结,倾盆大雨从天而降,雨水流入地势低凹的地方,就形成了原始海洋。
类地行星Gliese 486b想象图,这颗系外行星可能有炽热的熔岩河。而陆地和海洋究竟该“长成”什么样子则是岩石决定的。以地球为例,瓢泼大雨持续冲刷大陆地壳,将原本存在于陆地上的岩石——玄武岩冲入海中,使海底沉积物越积越厚,直到将海底的地层压垮。海底的地下熔岩喷涌而出,这些岩浆冷却之后就变成了花岗岩。久而久之,这些花岗岩在浮力的作用下升出海面,形成岛屿。更多的花岗岩聚在一起,就会连成一片巨大的陆地——大陆。
大洋地壳的主要成分是玄武岩,它的密度大约是2.9克每立方米;大陆地壳的主要成分是花岗岩,它的密度大约为2.7克每立方米。因为大洋的地壳比大陆的要重一些,它往地底下陷的深度更深。而大洋地壳的平均厚度又比大陆地壳薄得多,大洋的地质活动比大陆更剧烈,比如地震更频繁、烈度也更大,表面上看,大陆反而显得“风平浪静”。这样地球就形成了以海洋为主、海陆面积相对稳定的外观。
而外星岩石与地球岩石不太一样,这一切也就会发生变化:如果外星岩石能比地球岩石吸收更多的水,海洋面积会变得更小;如果外星岩石能承受更高的熔化温度,会形成比地球地壳更薄的岩层;如果外星岩石比地球岩石更脆弱更易分解,板块活动就会更频繁更剧烈,海陆形态瞬息万变……
岩石与外星生命
岩石的不同不仅影响着陆地和海洋的形态,也决定着可能出现的生命。
我们现在基本形成共识,生命起源于海洋。不过,与其说起源于海洋,不如说起源于海洋岩石。在大洋底部,岩浆活动频繁而剧烈,它们从洋底喷涌而出,形成一座座海底的山岭,海水沿着山岭裂隙流动,在炽热岩浆的加热下就形成了深海热泉。在深海热泉周边,温度高,酸性大,海水容易与岩石发生化学反应,产生生物可以利用的物质。
美国科学家发现,北大西洋的深海热泉附近的海水会与地幔岩矿物中的铁发生化学反应产生氢分子,有一些原始的微生物以这种氢分子为食。当滚烫熔岩遇到冰冷的海水时会析出碳酸盐,这可能构成微生物的骨架。这些生物与数十亿年前地球上存在的生物相似,可能与我们地球上最早的生命形式密切相关。可以想见,如果外星球有与地球相同的岩石和同样的水,它们就可以拥有在地球上同样的化学过程,从而孕育出类似地球上的基本生命形式。
常见的外星岩石——铁纹石
但是,如果外星岩石与地球岩石存在着重大差异的话,外星生命与地球生命相似的可能性就低了。地球上所有的生命都是碳基生命,地球生命之所以青睐碳基,首先是因为地球上拥有丰富的碳元素,而且碳元素稳定性高,能轻易和其他的原子结合成复杂的有机分子,因此生物会以碳元素作为支架。但如果外星球以其他元素为主,则可能出现不同的生命形态,比如,以铁纹石为主的外星球,也许会出现类似变形金刚这样的“铁基生物”呢。
其实,在外星球的岩石中也确实可能孕育着生命。1969年,一颗名为Murchison的陨石降落在澳大利亚,科学家们在这颗陨石的内部检测出了5种氨基酸;随后,人们陆陆续续从各种陨石中找到了更多的有机物,包括组成核酸的碱基等,比如2019年,有科学家宣称在陨石中发现了核糖,这是RNA的主要组成物质;2020年2月底,科学家们在陨石中首次发现了蛋白质,蛋白质中含有铁和锂两种元素,在蛋白质的尖端上形成了一种铁氧化物,可以利用光能将水分解为氧气与氢气,这个过程中产生的能量可以被生命体利用……
现在,我们谁也不知道,在这些所谓的“类地行星”上,是否真的有我们并未发现的生命生活着?如果答案是肯定的话,它们也许与地球生命很不一样。
著者:黄姤(@外空生物学) 著述:黄媂(@太空生物学)
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「行星」是什么?
「行星」这个词的由来是由于这种天体会在宇宙中移动,它们就好像附有生命力般每时每刻围绕着恒星移动着,太阳系8大行星它们的公转方向全部与太阳的自转方向相同都是自西向东的,自转方向除了金星、天王星是自东向西的以外,其它6大行星都是自西向东进行自转的,2006年8月24日之前天文学定义「行星」的条件是:
1.质量要足够大、2.体积要足够大、3.外表要呈现出近似于球体的外形、4.不可以发生核聚变反应、但是用这些条件定义出来的「行星」遭到很多天文学家反对,这个备受争议的问题一直不能在科学的层面上达成共识,因此这个问题也成为了2006年《国际天文学联合会》大会讨论的重点,于是在2006年8月24日的会议上把「行星」的定义决定下来了:
1.必须要是围绕恒星运转的天体且不能是卫星、2.必须要有足够大的质量以至于可以克服固体应力达到流体静力平衡的球体状、3.必须要有清除公转轨道附近区域小天体的能力,公转轨道附近区域范围内不可以有比「行星」更大的天体、图解:2006年8月24日之前行星的定义不能达成共识
第26届《国际天文学联合会》大会上的决定
太阳系里的行星按照围绕中心点(太阳)旋转的顺序从远到近依次为:海王星、天王星、土星、木星、火星、地球、金星、水星,这8颗行星当中有5颗是可以直接用肉眼观看到它们分别是:水星、金星、火星、木星、土星,由于距离太过于遥远了肉眼根本不能看到天王星和海王星。
在2006年8月24日之前,全世界的人都承认了太阳系中是存在着9大行星的,「冥王星」就是从行星行列中被降级的“行星”,由于2005年发现了一颗距离比它更遥远、体积比它更大的天体,这颗名为「阋神星」的天体在当时测得的体积比「冥王星」略大,正是这个原因导致「冥王星」被降级成为矮行星。事实上,「冥王星」的体积是比「阋神星」大的,但是质量是略小于「阋神星」。
天文学家不可能把「阋神星」命名为“第10大行星”,原因是因为假如在太阳系里再发现类似「冥王星」与「阋神星」这些天体,天文学家不可能将它们全部归类为行星,因此在2006年8月24日举办的第26届《国际天文学联合会》大会上通过投票的形式将行星的定义更改了,并且把「冥王星」和「阋神星」归类为矮行星。
2010年采用恒星掩星的方法对阋神星的体积进行测量,测得的结果显示「阋神星」的直径约为2326±12千米,质量为:1.66✕10^22千克。2015年7月NASA的“新视野”号测得「冥王星」的直径约为2377±4千米,质量为1.47×10^22千克。八大行星共同组成了一个围绕太阳旋转的行星系
太阳系的主要成员主要有1颗恒星、8颗大行星、185颗卫星、矮行星、彗星、小行星以及一些不同形状的星际物质,这些天体共同组成了一个星系以下级别的天体结构,天文学称之为——太阳系。其中8大行星一共可以分成三类,分别是:类地行星、类木行星以及冰巨星。
类地行星——顾名思义就是类似于地球的行星,类地行星一共有4颗,它们分别是火星、地球、金星以及水星,类地行星一般都是比较临近太阳的,类地行星的特点就是体积和质量都特别小、但是物质的密度较大并且表面温度也较高。这4颗类地行星不仅体积相当,而且它们都是由岩石构成的,既然地球可以孕育出生命,那么其它3颗类地行星也极有可能会诞生生命。从某种意义上说,类地行星其实就是岩石行星。
类木行星——在太阳系中体积最大的行星莫过于木星和土星了,排名第一的是木星,排名第二的是土星,类木行星与地球一样表面都是有一层浓厚的大气层包裹着,与地球不同的是类木行星的大气层下面却并没有坚实的表面,但是却有着一片温度极高的“海洋”,与地球不同的是组成这片海洋的并不是海水,而是我们熟知的化学元素·氢,这些液态状的氢就是木星和土星的主要成分,从某种意义上说,类木行星其实就是液态行星。
冰巨星——在太阳系中温度最低的行星莫过于海王星和天王星了,虽然天王星距离太阳的位置比海王星近,但是温度却比海王星的低,海王星以零下218摄氏度位居第二名,天王星以零下224摄氏度位居第一名,冰巨星也和类地行星、类木行星一样也拥有一层层深厚的大气层,不同的是这层大气层的主要成分是氢分子,冰巨星的表面被一层非常厚的胺冰、甲烷冰长年覆盖着,冰层之下就是坚硬的球核。从某种意义上说,冰巨星其实就是冰晶行星。
属于类地行星的火星、地球、金星以及水星,由于它们的分布区域被火星与木星之间的小行星带分割开了,因此天文家也称它们为内太阳系行星。属于类木行星的木星和土星,由于它们的体积太过于庞大,因此天文家也称它们为巨行星。属于冰巨星的海王星和天王星,由于它们是通过望远镜发明发现的,因此天文家也称它们为远日行星。
「行星环」
在太阳系当中拥有行星环的行星不只是只有土星,其中木星、海王星、天王星都是拥有行星环的,只不过这3颗行星的行星环并不突出,所以很难看到它们的环。行星环这种环形结构是围绕着行星运转的物质环,物质环是由上万甚至上亿块岩石、冰块等共同组成,因为它们也会反射太阳光而使得它们发光,因此称它们为——「行星环」。「行星环」的存在不仅表明了行星的独特之处,还为天文学家提供了研究太阳系早期起源以及演化的过程提供了重要的线索。
「行星」是如何形成的?
早期的宇宙是处于一种非常混沌的状态,空间中到处弥漫着星际尘埃,其实每一个行星都蕴含着非常多的星际尘埃,因为行星都是由这些尘埃组成。
举例说明:
太阳系大约在50亿年前就存在着非常多星际尘埃,这些微小的尘埃它们之间会相互碰撞从而使得它们会互相结合在一起,经过长时间的碰撞、结合于是就形成了大量的「行星胚」也称为「星子」,这些「行星胚」广泛分布在太阳系里,早期的太阳系至少拥有超过几十亿的「行星胚」,它们都有一个共同的特点,那就是它们都围绕着位于太阳系中心区域的太阳作公转运动。
尘埃与尘埃之间会互相结合,「行星胚」与「行星胚」之间也会互相结合。以下就是两种情况,无论是哪一种情况,最终的结果都是一样。
假如两个「行星胚」的体积大小差距很大,但是它们运动的速度都差不多,那么「行星胚」碰撞之后体积较小的「行星胚」就会被体积较大的「行星胚」吞没而合为一体,因此较大的「行星胚」体积就会变得越来越大。
假如两个「行星胚」的体积相差不大,但是它们运动的速度都非常快,那么「行星胚」碰撞之后彼此都会解体变成许多小石块,小石块又会被大的「行星胚」吞没,随着时间的发展太阳系里的「行星胚」数量就变得越来越少了,直到演化成今天我们所熟知的太阳系。大行星就是当时比较大的「行星胚」所演化的结果,而那些还没被吞没的小石块就演化成了小行星。
下面我来谈谈另一个关于行星是如何形成的比较受争议的话题——赖安奥利里和阿维利奥伯这两位是来自于美国哈佛史密森天文物理中心的科学家,他们坚信位于银河系中央的小型黑洞以超光速的速度向外喷射出大量行星,行星是在黑洞中诞生的。
宇宙中的“无底洞”就是用来形容黑洞这种引力极强的天体,这种天体之所以会称它为黑洞,完全是因为任何物质一旦落入它的事件视界范围内就无法再挣脱出去了,这种天体的引力能够吸住任何物质包括光,因此黑洞是无法被直接观测到的,证明黑洞的存在只能是通过测量它对周围天体的作用和影响,从而间接观测和推导它的存在。
赖安奥利里和阿维利奥伯认为能够喷射出行星的黑洞它的质量只有太阳的10倍,是一种小型黑洞。目前我们的银河系中央至少存在上以亿计的小型黑洞,它们都是围绕在特大质量黑洞附近的,当那些把行星喷射出银河系时的小型黑洞它们会进一步接近特大质量黑洞,这就好比是小型黑洞向特大质量黑洞前行的推进器,那么宇宙中到底有多少个黑洞可以喷射行星以及黑洞是如何排斥喷射行星的,这点赖安奥利里和阿维利奥伯也不能够解释,这个只能有待于科学的继续探索和探研。
行星家族里的小成员
「小行星」是一种和大行星一样环绕着太阳公转的天体,但是小行星的体积和质量比行星小得多,因此被称为「小行星」,在火星和木星之间有一片区域大约存在几十万颗小行星,因此称为「小行星带」,不是所有的小行星带都称作小行星带的,比如海王星以外的那一片区域被称作为「柯伊伯带」。目前太阳系内发现的小行星数目有约70万颗,但是这个数量与银河系存在的恒星相比简直是小巫见大巫,因为银河系内存在的恒星多达4000亿颗。
天文学家对小行星的了解并不多,所能研究的样品实在是少之又少,科学家只能对坠落到地球表面的小行星作研究,通过分析它们的成分以及年龄来了解有关它们的一切,那些坠落到地球表面的小行星称为「流星体」。当流星体以极高的速度闯进地球的大气层时,由于流星体的表面会与空气发生剧烈的摩擦,导致流星体以温度极高的状态气化一些物质,因此它们看起来会发出耀眼的强光,这就是人们喜欢看的「流星」,一些体积较大的流星体在进入大气层后并没有完全被气化,当它们掉落在地面时这个时候就称作为「陨星」。
图解:流星体的表面会与空气发生剧烈的摩擦,导致流星体以温度极高的状态气化一些物质
黄姤结语·辟谣
我在很多科普节目里看到过一些作者把「小行星」比喻成一块完整单一的岩石,其实这种说法是不严谨的,因为小行星的密度是低于岩石的,从一些探测器所拍到的照片可以清晰看到一些体积较大的小行星它们的表面存在高高的环形山,比如2014 EC上面的环形山就表明了它的密度是非常小的,它的组织也是比较松散的,说它是暂时粘合在一起的也不为过。假如2014 EC遭遇了与其体积相当的天体撞击,2014 EC不但不会碎裂反而会与撞击物融合在一起。
图解:2014 EC
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#谣零零计划#
本文基于回答网友问题:宇宙中大部分行星都是石头,那么问题来了,这些石头是从哪里来的?
这个问题本身的立论就是错误的,因此所谓“那么问题来了”,就与前面的立论无关了。
这里的“那么问题来了”的问题,是建立在“大部分行星都是石头”的认知上,只是一种无凭无据乱下的结论,因此后面的“问题”就来路不明了。
为了澄清此类错误认知,这里还是来说说一些基本常识。
首先,大部分行星并不是石头就拿太阳系来说,有8大行星,其中有4颗类地行星,也就是所谓有一层岩石固体外壳的行星,它们从太阳由近及远的排列是水星、金星、地球、火星;除了这些具有石头外壳的行星外,还有4颗类木行星,也就是主要由气体组成的行星,它们都在火星轨道以外,由近及远排列分别是木星、土星、天王星、海王星。
这样我们就看出,即便在太阳系,也不全是石头行星,按数量来看,也是4:4打了个平手。但如果按质量呢?石头行星就是小巫见大巫了,4颗类地行星的质量总和,也没有这些气态行星中的最小一个大。
最小的一颗类木行星是天王星,其质量为8.681*10^25 kg;4颗类地行星质量分别为:水星质量约3.3011*10^23 kg,金星质量约4.8675*10^24 kg,地球质量约5.97237*10^24 kg,火星质量约6.4171*10^23 kg。这样以地球为老大的4颗类地行星加起来,总质量才约为1.18*10^25kg,只有天王星质量约13.6%。
而4颗类木行星加起来的质量约2.65576*10^27kg,是4颗类地行星加起来总质量的225倍。其中木星是太阳系最大的行星,其质量是地球的318倍,是所有行星加起来质量的2.5倍。在太阳系中,太阳这个等离子体气态星球就占了总质量的99.86%,木星占太阳系总质量的0.1%,地球只占有整个太阳系质量的0.0003%。
类木行星中也有石头吗?当然有,但不多。
类木行星或者说气态行星,是指没有一个固体表面的行星,其核心处也会有一个岩石内核。但这个内核比较小,一般在地球直径的1~3倍左右,只是占气态行星质量很小一部分。而气态行星从大气层到内核,也并非完全是气体状态的,因为这些行星质量和体积都巨大,随着大气层往核心的不断深入,压力会越来越大,温度也越来越高,在这种高温高压下,气体也会相变成液态或者金属态。
木星半径约7万公里,木星核心上面,就有数万公里厚的金属氢,再上面是数万公里厚的液态氢。其核心温度高达3万℃;土星内部也和木星类似;天王星、海王星大气层深处,会有甲烷水冰海洋和钻石海洋存在,这些物质在高压下,即便呈现液态,也是密度极高温度极高的。
所以,在宇宙中,石头行星只占极少数。
在类木行星的卫星中,以及距离太阳遥远的柯伊伯带,由于温度极低,许多星球更多的是冰态,如木卫二、土卫三、冥王星等,都是一个冰球,被厚厚的冰层覆盖。但这些冰并不一定就全部是水冰,如冥王星表面平原就是由98%以上的氮冰、微量的甲烷和一氧化碳覆盖。
因此,不但行星,就是卫星和小行星,石头组成的也是极少的。这与宇宙中元素丰度有关,整个宇宙,氢和氦占据了98%以上,其他重元素只有1%多点,这就决定了宇宙天体组成中,由重元素组成的极少。
恒星是制造物质元素之母一切物质都是由元素组成,这就不得不说说宇宙中的元素从何而来。现在已知,我们宇宙中存在118种元素,这些元素都是恒星演化过程生成的。
在宇宙大爆炸开始那一刻,只有能量,没有元素,现在的所有元素都是从能量中转化过来的,严格符合爱因斯坦质能方程的描述和计算。大爆炸一开始,物质就开始生成,但由于处于极高温度极高密度状态,只能逐步生成一些基本粒子,无法形成原子。
一直到大爆炸38万年后,宇宙经过膨胀和冷却,温度降到3000K以下,电磁波(或者说“光”)才从高温高密的宇宙中脱耦而出,宇宙开始变得透明并可观测,现在观测到的宇宙微波背景辐射就是那个时候发出的。
这时,所有物质的基础~中性原子终于开始生成了。但那时,还只能生成最轻最简单的元素,也就是在元素周期表里序号为1、2的元素氢和氦,还有极微量的3号元素锂。这些元素组成的粒子在宇宙中飘荡,在万有引力作用下相互靠拢,渐渐形成了原始星云。
这些星云在引力作用下不断收缩,第一颗恒星就在星云中诞生了。随后宇宙恒星不断涌现,宇宙中就充满了恒星,恒星聚集成为星系(有人称之为宇宙岛),渐渐宇宙就形成了我们今天看到的样子。
恒星是发光发热的等离子球体,由于其巨大的质量形成巨大的向心收缩压力,导致核心压力和温度很高,这样就激发了氢核聚变,恒星通过核聚变不断形成更重的元素,如从氢到氦,再依次到铍、硼、碳等,中小质量恒星温度和压力,只能到此就结束了。
大质量恒星核心温度和压力极高,还会一路激发更重元素核聚变,按顺序生成氮、氧、氟、氖、钠、镁、硅、磷、硫、钙等更重元素,一直到26序号的铁元素。
再大的恒星核心核聚变也只能制造出最重到铁元素了,至于为什么,说来话长,过去已有过多次解释,这里就不扯了。
比铁更重的元素哪里来?如果宇宙中没有更厉害的事件发生,我们世界就只有26种元素,虽然这时候已经有了制造石块的元素钙和硅了,但地球生物都是由几十上百种元素组成的,没有后续重元素生成,就不可能有生命出现,也就没有我们这些观测宇宙并评头论足的人类了。
幸好,宇宙中还有超新星大爆发和大质量致密天体相撞等事件,这些事件会导致更厉害的压力和温度,这样,铁以上还有的92种元素就在这些极端宇宙事件中诞生了。
这些极端事件生成的这些元素,在宇宙中相互吸引碰撞凝聚在一起,就形成了各种宇宙天体,包括石块、冰块、铁块、金块等等,当然许多时候这些物质都不是纯净的单一物质,而是一些混合物或者化合物。
这就是宇宙中石头的来历,也是地球的来历。
太阳系不是在纯洁的原始星云中诞生从前面介绍,我们知道了宇宙原始星云中的元素只有氢和氦,还有极微量的锂。而太阳系成分复杂,有着宇宙全部118种元素,因此就不可能是从这种原始纯洁的星云中诞生的。
星云是恒星之母,所有的恒星系统都是在光年级的巨大星云团中凝聚而成。从宇宙元素的生成和来历,我们就可以推断出太阳系不是从只有氢和氦的原始星云中诞生的。如果只有氢和氦元素,就不会有地球,更不会有生命的出现。
所以,科学推断认为,太阳系是超新星大爆发或者大质量天体撞击等极端事件,飘散到太空的基本粒子,重新凝聚成的再生星云中诞生。而且,这种爆发事件很可能发生过多次,才诞生了太阳系。
任何恒星系统形成之初,在恒星形成时都会产生巨大的辐射压,或者称之为恒星风,这些强大的恒星风会把靠近的星际物质吹远,越轻的物质就吹得更远,而较重的物质就吹得不够远。
因此太阳系几颗靠近太阳的行星,又叫内行星,是由太阳风没有吹远的更重物质组成,呈现为岩石星球;较远的外行星则主要是由被太阳风吹远的更轻元素组成,呈现为气态星球。
说了这么多,不知有这些疑问的人解惑了没有?如果还有问题,欢迎留言讨论,感谢阅读。
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