首頁>科學>

到目前為止,已確認的系外行星數量超過 4000 顆。有些行星同時環繞多顆恆星公轉;有些行星非常靠近母恆星,公轉一週僅需數天,不像地球公轉長達 365.25 天;有些行星軌道極為扁圓,不像地球軌道很接近圓形。所以行星的特性和所在位置並不單一,而是有許多可能性。然而談到行星大小,尤其是品質和半徑,其實是有限制的;而這限制,跟物理有關。美國西南研究院(Southwest Research Institute)Natalie Hinkel 試圖從行星和它們母恆星之間的化學關聯性,以及不同大小的行星可能有的內部結構和含有的礦物等,來探討是什麼讓行星能支援生命存在。

從原行星盤開始發展的行星家譜手繪圖。

巖質行星 VS 氣體行星

太陽系行星分成兩大類:

1、體積品質小、巖質且密度大的類地行星。

2、體積品質大且為氣體的類木行星。

迄今已偵測到的行星大都包含在這兩類裡。

但事實上,從開普勒任務(Kepler mission)和凌日系外行星系統衛星(Transiting Exoplanet System Satellite,TESS)等系外行星搜尋任務的觀測資料來看,以行星大小排序時,在所謂的「超級地球(super-Earth)」處有個沒填滿的間隙。超級地球指半徑約地球 1.5~2 倍,品質約地球 5~10 倍的系外行星。為什麼超級地球數量少了?為什麼天文學家只看得到小型巖質行星和巨大的氣體行星?

已確認的超級地球與地球的體積互相比較的示意圖。

兩類行星之間的差異,以及超級地球間隙的出現,都與行星大氣有關,特別是行星正在形成的時候。當恆星誕生,匯聚成巨大氣體球,開始旋轉、向內塌縮,最後在核心點燃核融合反應而成為一顆正式的恆星。這個過程並不完美,在恆星形成之後,還殘留著大量多餘的氣體、塵埃和岩石。這些殘餘物質繼續繞恆星旋轉,直到在恆星周圍形成一個扁平、環狀的拱星盤。盤內塵粒彼此碰撞粘合形成小石塊,小石塊也可能彼此碰撞成長為更大的礫石,過程持續直到成長為行星。當行星的體積增長時,其品質和重力也隨之增加,讓他不僅能從累積塵埃和岩石來成長,還能積聚氣體,最後形成大氣層。

拱星盤中有大量氣體,和恆星以及宇宙誕生之初一樣主要組成都是氫和氦,但是岩石物質就明顯少多了,原因在於恆星形成之際就沒有多少這樣的岩石物質。

超級地球缺失問題

如果行星維持體積偏小的狀態,即半徑小於1.5倍地球半徑時,其重力不足以掌控像木星或海王星大那樣的龐大大氣層。但是如果它再繼續長大一點,能捕獲的氣體就會越來越多而形成大氣層,且半徑可能增加至海王星(約4倍地球半徑),甚至超過木星(約11倍地球半徑)。因此,行星可以是小型巖質行星,也可是大型氣體行星。

按理來說也能形成介於中間的超級地球,但其實會很困難,因為一旦品質大到足以開始重力累積時,就如同雪崩一般停不下來,只有在某種特別環境中才能停止氣體持續往行星累積的動作而成為超級地球。這種狀況有時被稱為「不穩定平衡(unstable equilibrium)」,只要天體位置稍微移動,或只要多累積一點點氣體,就會打破平衡狀態,持續往氣體巨行星的狀態發展。這種狀況造成超級地球的數量不會太多,成為前述的超級地球空白的現象。

另一個要考慮的因素是一旦行星形成,並不會一直待在同樣軌道上。當行星是向母恆星的方向遷移時,其大氣被加熱,導致原子和分子移動得非常快而脫離行星重力掌控。所以有些小型巖質行星其實是大一點的行星大氣被剝奪後殘存的核心部位。所以,不會有巨型巖質行星,也不會有小型氣體行星的狀況出現。不過雖然如此,行星彼此間的大小、幾何形狀和組成成分的差異還是很大。

  • mRNA疫苗可誘導對SARS-CoV-2及其多種擔憂的變體的持久免疫記憶
  • 月球上出現二戰轟炸機?中國嫦娥四號緊急前往調查,​真相已揭開