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系外行星,你不能只认得452b

这几天,朋友圈和网站都在被开普勒452b刷屏。不过,系外行星你若只认得一个开普勒452b就太low啦,来结识一下它的大家族吧。

未标题-2类地行星:生命的诞生地
  

  毫无疑问,类地行星是系外行星观测上的焦点,此类行星与地球非常相似,也是硅酸盐或碳化合物等物质构成的岩质天体,这就意味着类地行星拥有陆地、山脉这样的固体表面,为生命诞生提供了栖息环境。

  如果我们在恒星周围的可居住带上发现类地行星,那么后者表面拥有液态水的概率就更大的,一旦有了水,很有可能就存在宇宙生命。

  类地行星在太阳系内较多,比如水星、金星、地球和火星都是类地行星,但目前发现的系外类地行星数量较少。前不久,美国国家航空航天局确认EPIC 201367065系统中存在三颗类地行星,距离我们150光年左右,还有一颗还处于可居住带上,质量为地球的1.5倍,这个消息令人非常兴奋,这意味着我们有望发现第一颗拥有液态水的系外天体。值得注意的是,该系统主星为红矮星,并不是与我们太阳类似的G型主序星,体积和辐射能量都比后者要小得多,但能够保持数千亿年的稳定光度,因此有可能存在较为高级的文明。

  注:左图中的类地行星和类地行星发现者(也译为类地行星搜寻者),均是艺术家的想象图。类地行星发现者,是一个由NASA提出的太空探测计划。该计划预计建立一个太空望远镜系统以搜寻太阳系外行星中的类地行星。这个计划被推迟数次,最终被取消。

未标题-2 超级地球:比地球大好几圈

  从字面上看,超级地球就是比地球更大一些的岩质行星,质量可达到数倍地球质量。这是一种太阳系内没有的行星类型,太阳系中最大的类地行星就是地球,比地球大10倍的行星并不存在,但太阳系之外超级地球却相当普遍。

  超级地球主要以岩质为主,这意味着其拥有更大型的山脉和平原,目前所发现的超级地球遍布各个轨道上,有的非常靠近恒星,半长轴仅为0.03个天文单位,一年只有3.15天,有的超级地球处于宜居带上,是潜在拥有生命的行星。

  比较著名的超级地球要数“格利泽”581c,轨道处于宜居带上,表面温度大约在0至40摄氏度之间,显然这里具备了拥有液态水的基本条件。

  试想一下,如果把地球体积放大数倍,任何旅途都要把原来的时间乘以数倍,从伦敦飞到纽约8小时的旅程就要花上数天。如果超级地球上存在文明的话,它们的年假可能要以月来计算吧。

  注:右图是画家笔下的超级地球格利泽876d。

未标题-2 热木星:极为酷热的地狱

  目前发现的系外行星大约有2000颗,还不包括待确认的候选者,估计数量在数千颗。这些系外行星有个特点,它们多数属于热木星。

  事实上,行星命名只要从字面上看就能够理解其含义,热木星,顾名思义,就是比木星还要热。木星的轨道半径在5个天文单位左右,而热木行星的轨道半径只有不到0.5个天文单位,一般情况下只有0.01这个数量级。从质量上看,热木星的质量有的是木星数倍,有的要小于木星一些,基本上处于木星质量附近的区间上,相差不多。

  如此小的轨道半径意味着其公转周期也很短,比如距离地球150光年左右的HD 209458热木星,轨道半径仅为水星的八分之一。

  如果你抵达这颗行星上,几乎可以不用手表了,一年只有3.5天。这还不算啥,由于其轨道半长轴太短,该行星表面温度达到1万摄氏度,潮汐锁定使得行星的一面永远朝向恒星,一个半球永远是白天,另一个半球则是极夜。因此,热木星是宇宙中名副其实的地狱。

  注:左图是艺术家想像下的一颗热木星,它因自身的热而发出红光。

未标题-2 冷木星:寒冷是它的主要特征

  如果你掌握了热木星的概念,那么依次推断出冷木星是怎样的行星就易如反掌了。

  冷木星的轨道半长轴较长,处于恒星系统的轨道外侧,太阳系内的木星和土星都属于冷木星。冷木星的轨道周期大约是12年,因此相比热木星而言,冷木星上的一年时间是相当长的。

  事实上,冷木星也被认为是萨达斯基分类法中的氨云型系外行星。这是因为冷木星上的大气温度极低,只有100多K,能够满足氨云的形成。

  冷木星其实还有一层意思,即此类行星释放的内热要大于从恒星接收到热量,热木星的表面极端高温几乎全部来自恒星,而冷木星则截然相反。如果冷木星的表面温度继续升高,就像往热木星的方向发展,其大气云层也会出现翻天覆地变化,从氨云演变为蒸汽云,在温度700K左右时,云层会几近消失;一旦温度高于1000K,那么以钠为首的碱金属元素、硅酸盐等会成为云层的主要类型。

  不论如何变化,冷木星与热木星一样,都无法支持生命的诞生,毕竟它们连块像样的地儿都没有,甚至都没有固体核心。

  注:右图是一颗艺术家想像的冷木星。

未标题-2 冰巨星:寒冷与狂风肆虐的世界

  冰巨星与热木星、冷木星的不同点在于大气成分和质量,后者大气中拥有90%以上的氢,而冰巨星大气中氢的含量很少,甚至还不到20%。在质量上,冰巨星的块头明显要小于类木星,但也明显大于地球这一类岩质行星。我们的太阳系内也拥有冰巨星,即天王星和海王星。

  从行星的形成模型上看,冰巨星的形成机制要晚于类木行星,因为原始行星盘在演化过程中,外围某些区域的温度处于冰点之下,这时候早期形成的甲烷、水等物质也会以固态的形式存在。在类木行星形成后期,当温度进一步下降时,冰巨星就开始形成了,其表面的温度极低,甚至可允许超临界流体的存在。

  以天王星为例,其大气温度是太阳系中最低的,还不到50K,这相当于零下200多摄氏度。而且,大气中不是超级飓风就是大尺度的全球性环流,俨然是个寒冷的地狱。

  注:左图是类木行星(上)、冰巨星(中)和类地行星(下)的大小比较。

未标题-2 流浪行星:无家可归的流浪汉

  流浪行星也称为星际行星、游牧行星、孤儿行星,它的地位较为特殊。我们知道,行星应该围绕着恒星公转,共同构成一个天体系统,但流浪行星却另辟蹊径,它不围绕恒星公转,浪迹于宇宙空间中,随着恒星系一起围绕星系中央公转,仿佛是一个独行侠。2013年,泛星望远镜观测到距离我们大约80光年的流浪行星,位于绘架座(南天星座之一,是拉卡伊在1752年命名的)方向上,与太阳系一起围绕着银河系中央公转。

  说起来,流浪行星的形成过程颇为有趣。我们知道,原始行星盘是早期恒星、行星系统演化的场所,当行星盘各轨道上逐渐聚集物质形成新生行星后,这些初生天体难免为了进一步聚集质量出现不和的现象,有些块头较小的行星可能在引力拉锯战中败下阵来,最终被踢出系统。那些被踢出局的小个子行星,就变成了一颗颗流浪行星。

  注:右图是艺术家笔下木星体积大小的流浪行星。

未标题-2从轨道类型上划分系外行星

  除质量与组分差异外,行星还可以从轨道类似上划分,比如大偏心率行星、近圆轨道行星以及极短轨道周期行星。

大偏心率行星。偏心率一般都大于0.1,近日点与远日点相去甚远,所以此类行星表面上温度变化极大。

近圆轨道行星。该行星的特点是表面温度变化幅度较小,轨道近似圆形,是生命诞生的理想轨道。

极短轨道周期行星。它们距离恒星非常近,公转周期一般以天计数,表面温度极高,是名副其实的地狱。

作者简介

陈喆:毕业于南京大学天文系,现从事科学研究工作,业余进行天体方面的科普创作。

栏目介绍

《妙想科学》栏目,奇思妙想,以趣味科学主题,集结天下万物。

  

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