大小超过地球三倍的行星,为什么会停止生长?木星土星只是个例?
多年来,据我们所知,太阳系在宇宙中是孤零零的。然后,更好的望远镜开始揭示围绕着遥远恒星旋转的行星宝库。如早在2014年美国国家航空航天局(NASA)的开普勒太空望远镜就为科学家们提供了700多颗全新的遥远行星,其中许多与我们之前看到的不同。这些行星体积较小,大部分质量都是岩石,而不是像木星这样的气体巨星,因为它们更容易被观测到,所以早期的观测首先发现了热木星。
天文学家注意到,有许多这样的行星,大小和地球差不多,或者略大于地球,但在行星达到海王星大小之前,行星大小有一个陡峭的截止点。芝加哥大学的行星科学家埃德温·凯特说:这是数据中的悬崖边缘,而且相当戏剧性,我们一直在困惑的是,为什么超过地球三倍大小的行星往往会停止生长。在新发表在《天体物理学》期刊上的一篇研究论文中,凯特和华盛顿大学、斯坦福大学和宾夕法尼亚州立大学的同事们,为这种下降提供了一个创新的解释:
一旦行星达到地球的三倍大小,这些行星表面的岩浆海洋就很容易吸收大气层。答案可能取决于此类系外行星鲜有研究的一面,大多数略小于落差大小的行星表面都有岩浆海洋,就像曾经覆盖地球的熔岩海洋。但它们并没有像地球那样凝固,而是被一层厚厚的富氢大气所保持着温度。到目前为止,几乎所有的模型都忽略了这种岩浆,把它当做化学惰性对待,但液态岩石几乎像水一样流畅,非常活泼。
随着行星获得更多的氢,海洋是否会开始“吞噬”天空。在这种情况下,随着行星获得更多的气体,它在大气中堆积,大气与岩浆相遇的底部压力开始建立。起初,岩浆以稳定的速度吸收气体,但随着压力的增加,氢开始更容易溶解到岩浆中。不仅如此,留在大气中的少量添加气体还会提高大气压力,因此更大比例较晚到达的气体会溶解到岩浆中,因此,行星的增长在它达到海王星大小之前就停止了。
因为这些行星的大部分体积都在大气层中,所以大气层的缩小会导致行星的收缩。研究人员称这为“逸度危机”,这个术语衡量的是一种气体,比基于压力的预期,更容易溶解到混合物中的程度。这一理论与现有的观察结果非常吻合,未来天文学家还可以寻找几个标志物。例如,如果理论是正确的,具有足够冷的岩浆海洋的行星表面已经结晶,应该表现出不同的轮廓,因为这将阻止海洋吸收如此多的氢。
博科园|研究/来自:芝加哥大学
参考期刊《天体物理学》
博科园|科学、科技、科研、科普
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