来了解一下比较神秘的类木行星

  今天早上起来的时候随手翻了一下天文学的书籍,发现这些巨行星很有趣。后来想到博客中只有一篇与天文学相关的,而我又有“天文地理”这个标签,所以现在来补充一下。以下都摘自维基百科。

  气态巨行星的概念

  气态巨行星具有浓厚的氢氦大气与硕大的质量。这些行星也可能具有熔融岩石核心,但若该行星本身的具有足够的热能,则其核心可能蒸发并与大气溶合并平均分散于整个行星。“传统”类木行星,如木星和土星,主要以氢与氦所构成。但在天王星与海王星里,氢与氦只构成了大气顶层,其内部主成份为水、氨与甲烷冰。因此科学家们称天王星与海王星为“冰巨星(Ice Giants)”。

  太阳系外行星的其中一类—热木星,为环绕恒星公转半径极小的气态巨行星。这类行星表面温度极高,且因该类行星较易探测之故,为目前已发现的太阳系外行星之大宗。

  一般认为,气态巨行星不具固体表面,但“气态巨行星根本没有表面可言”的说法较为贴切,因为随着与行星核心的距离增加,大气密度呈连续性递减,直到与星际空间几乎相同为止。因此在类木行星上“降落”的可能与否,将取决于其核心的质量与组成。

  木星

  木星的高层大气是由体积或气体分子百分率约88–92%的氢和约8–12%的氦所组成。另外木星也含有微量的碳、乙烷、硫化氢、氖、氧、磷化氢、硫等物质。大气最外层有冷冻的氨的晶体。木星上也透过红外线及紫外线测量发现微量苯和烃的存在。

  木星大气层中氢和氦的比例非常接近原始太阳星云的理论组成。然而,木星大气中的惰性气体是太阳的二至三倍。高层大气中的氖只占了总质量的百万分之二十,约为太阳比例的十分之一。氦也几乎耗尽,但仍有太阳中氦的比例的80%。这个差距可能是由于元素降水至行星内部所造成。

  由于木星快速的自转,木星的大气显得非常地“焦躁不安”。木星的大气其实是一个复杂多变的天气系统,木星云层的图案每时每刻都在变化。我们在木星表面可以看到大大小小的风暴,其中最著名的风暴是“大红斑”。这是一个朝着逆时针方向旋转的古老风暴,它早在300多年前就被人类发现了,一般认为是17世纪的卡西尼或罗伯特·胡克发现的,也就是说,这个巨大的风暴已经在木星大气层中存在了几百年。大红斑有三个地球那么大,其外围的云系每四到六天即运动一周,风暴中央的云系运动速度稍慢且方向不定。

  由于木星的大气运动剧烈,致使木星上也有与地球上类似的高空闪电。

  木星具有比地球强大得多的磁场,它的磁层向太阳相反方向可延伸达6亿5千万千米,甚至超过土星的轨道。而面向太阳方向也有数百万千米厚。因此木星的卫星全都位于它的磁层之中,这或许正是造成埃欧表面许多活动的原因。类似地球的范艾伦辐射带,伽利略号的大气探测器在木星环与高层大气之间新发现一个强幅射带,比范爱伦辐射带强10倍左右,其中有的高能氦离子。

  跟地球一样,木星的两极也有极光,这有认为是从木卫一上火山喷发出的物质沿着木星的磁场线进入木星大气而形成的。

  土星

  土星主要由组成,还有少量的氦与微痕元素,内部的核心包括岩石和冰,外围由数层金属氢和气体包覆著。最外层的大气层在外观上通常情况下都是平淡的,虽然有时会有长时间存在的特征出现。土星的风速高达1,800公里/时,明显的比木星上的风快速。土星的行星磁场强度介于地球和更强的木星之间。

  土星有一个显著的环系统,主要的成分是冰的微粒和较少数的岩石残骸以及尘土。已经确认的土星的卫星有62颗。其中,土卫六是土星系统中最大和太阳系中第二大的卫星(半径2575KM)(太阳系最大的卫星是木星的木卫三,半径2634KM),比行星中的水星还要大并且土卫六是唯一拥有明显大气层的卫星

  虽然只有少量的直接资料,但土星的内部结构仍被认为与木星相似,即有一个被氢和氦包围着的小核心。岩石核心的构成与地球相似但密度更高。在核心之上,有更厚的液体金属氢层,然后是数层的液体氢和氦层,在最外层是厚达1,000 公里的大气层,也存在着各种型态冰的踪迹。估计核心区域的质量大约是地球质量的9–22倍。土星有非常热的内部,核心的温度高达11 700 °C,并且辐射至太空中的能量是它接受来自太阳的能量的2.5倍。大部分能量是由缓慢的重力压缩(克赫历程)产生,但这还不能充分解释土星的热能制造过程。额外的热能可能由另一种机制产生:在土星内部深处,液态氦的液滴如雨般穿过较轻的氢,在此过程中不断地通过摩擦而产生热。

  天王星和海王星

  天王星和海王星的内部和大气构成不同于更巨大的气体巨星,木星和土星。同样的,天文学家设立了不同的冰巨星分类来安置她们。天王星大气的主要成分是氢和氦,还包含较高比例的由水、氨、甲烷等结成的“冰”,与可以探测到的碳氢化合物。

  天王星是太阳系内大气层最冷的行星,最低温度只有49K(−224℃)。其外部的大气层具有复杂的云层结构,水在最低的云层内,而甲烷组成最高处的云层。 相比较而言,天王星的内部则是由冰和岩石所构成。

  海王星的大气层以氢和氦为主,还有微量的甲烷。在大气层中的甲烷,只是使行星呈现蓝色的一部分原因。因为海王星的蓝色比有同样份量的天王星更为鲜艳,因此应该还有其他的成分对海王星明显的颜色有所贡献。海王星有太阳系最强烈的风,测量到的时速高达2,100公里。 1989年航海家2号飞掠过海王星,对南半球的大黑斑和木星的大红斑做了比较。海王星云顶的温度是-218 °C(55K),因为距离太阳最远,是太阳系最冷的地区之一。海王星核心的温度约为7,000 °C,可以和太阳的表面比较,也和大多数已知的行星相似。

  天王星主要是由岩石与各种成分不同的水冰物质所组成,其组成主要元素为氢(83%),其次为氦(15%)。在许多方面天王星(海王星也是)与大部分都是气态氢组成的木星与土星不同,其性质比较接近木星与土星的地核部份,而没有类木行星包围在外的巨大液态气体表面(主要是由金属氢化合物气体受重力液化形成)。天王星并没有土星与木星那样的岩石内核,它的金属成分是以一种比较平均的状态分布在整个地壳之内。直接以肉眼观察,天王星的表面呈现洋蓝色,这是因为它的甲烷大气吸收了大部分的红色光谱所导致。

  海王星可能有一个固态的核,其表面可能覆盖有一层冰。外面的大气层可能分层。海王星表面温度为摄氏-218度,表面风速可达每小时2000公里。

  此外,海王星有磁场和极光。还有因甲烷受太阳照射而产生的烟雾。

  天王星的内热看上去明显的比其他的类木行星为低,在天文的项目中,它是低热流量。 目前仍不了解天王星内部的温度为何会如此低,大小和成分与天王星像是双胞胎的海王星,放出至太空中的热量是得自太阳的2.61倍; 相反的,天王星几乎没有多出来的热量被放出。天王星在远红外线(也就是热辐射)的部份释出的总能量是大气层吸收自太阳能量的1.06±0.08倍。 事实上,天王星的热流量只有0.042±0.047瓦/米2,远低于地球内的热流量0.075瓦/米2。 天王星对流层顶的温度最低温度纪录只有49K,使天王星成为太阳系温度最低的行星,比海王星还要冷。

  在天王星被超重质量的锤碎机敲击而造成转轴极度倾斜的假说中,也包含了内热的流失,因此留给天王星一个内热被耗尽的核心温度。另一种假说认为在天王星的内部上层有阻止内热传达到表面的障碍层存在,例如,对流也许仅发生在一组不同的结构之间,也许禁止热能向上传递。

  因为轨道距离太阳很远,海王星从太阳得到的热量很少,所以海王星大气层顶端温度只有-218 °C(55 K),而由大气层顶端向内温度稳定上升。和天王星类似,星球内部热量的来源仍然是未知的,而结果却是显著的:作为太阳系最外侧的行星,海王星内部能量却大到维持了太阳系所有行星系统中已知的最高速风暴。对其内部热源有几种解释,包括行星内核的放射热源,行星生成时吸积盘塌缩能量的散热,还有重力波对平流圈界面的扰动

  海王星内部结构和天王星相似。行星核是一个质量大概不超过一个地球质量的由岩石和冰构成的混合体。海王星地幔总质量相当于10到15个地球质量,富含水、氨、甲烷和其它成份。作为行星学惯例,这种混合物被叫作冰,虽然其实是高度压缩的过热流体。这种高电导的流体通常也被叫作水-氨大洋。大气层包括大约从顶端向中心的10%到20%,高层大气主由80%氢和19%氦组成。甲烷,氨和水的含量随高度降低而增加。更内部大气底端温度更高,密度更大,进而逐渐和行星地幔的过热液体混为一体。海王星内核的压力是地球表面大气压的数百万倍。通过比较转速和扁率可知海王星的质量分布不如天王星集中。

  热木星和冷木星

  热木星:由于目前系外行星侦测法的技术有限,至今发现的大多数系外行星的质量之大,几乎坐落在太阳系的类木行星范围。学界普遍认为,比起土星、天王星和海王星,这些行星和木星的共通点较多,因此部份学者甚至认为,将这些系外行星称为“类木行星”较为妥当。 许多系外行星都非常靠近母星,其表面温度远超太阳系的类木行星,使科学家不禁怀疑,这些行星当中可能包含太阳系内从未见过的全新行星类型。根据化学元素丰度,宇宙中98%的物质为氢与氦,因此科学家并不认为宇宙中存在质量比木星大且以岩石为主的行星;然而,虽然先前的行星演化理论指出,气态巨行星无法在靠近恒星的区域形成,科学家们却在其他恒星附近发现了违反这项理论的系外热木星

  冷木星:一个超过木星质量、未满500倍地球质量(1.6倍木星质量)的冷木星,其体积仅略大于木星。超过500倍地球质量的行星则将因简并压力而缩小。开尔文-亥姆霍兹机制的机制可使一个同木星的气态巨行星释放比从母星吸收之能量还更多的热能。

  其他星系的行星(总述)

  至2009年2月,人们在其他恒星身上一共发现了339颗系外行星,不少均拥有比木星高的质量。

  也有一些行星,其体积比较小,例如脉冲星PSR B1257+12、天琴座μ星、巨蟹座55及GJ 436均各自拥有与地球差不多质量的小型行星,而Gliese 876一颗达地球质量6至8倍的行星,可能拥有岩石结构。

  人们对新发现的大型系外行星仍未完全了解,大多估计其物质构成与太阳系的大型行星类似,又或是从未见过的大型氨行星或碳行星。值得注意的是,一些大型行星在极接近恒星的地方公转,拥有近乎完美的圆形轨道,这些行星被称为“热木星”,它们比太阳系的大型行星接受更大量的太阳辐射,造成其表面温度极高。也有一种热木星,其大气会被恒星的热力逐步蒸发并流失,并以彗尾形态释出,它们被分为Chthonian型行星。

  太阳系外行星(Extrasolar planet)是环绕其他恒星公转的行星,长久以来,人们认为其他恒星和太阳一样,均有行星环绕其恒星公转,但一直未能证实。直至1992年PSR B1257+12被证实以来,至今已有百多个太阳系外行星被发现。这些发现增加了对外星人存在与否的问题提出了支持的观点。

  现时在其他恒星发现的行星大多是类似木星的气体行星,有的质量甚至比木星还要大。质量较小的行星有脉冲星PSR B1257+12的三颗与类地行星相若的天体,以及位于天坛座μ星的一颗有14个地球质量的行星。

  也有一种行星,没有围绕特定的恒星公转,它们像是宇宙的流浪客,称为星际行星(Interstellar planet)。2011年科学家利用重力微透镜法首度发现了星际行星,并推测银河系中木星大小的星际行星数量有恒星的两倍之多。

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