受限於物理法則,各類性質行星大小都有限制

作者 | 發布日期 2020 年 02 月 20 日 8:30 | 分類 天文 , 自然科學 follow us in feedly


到目前為止,已確認的系外行星數量超過 4,000 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,公轉一圈僅需數天,不像地球公轉長達 365.25 天;有些行星軌道極為橢圓,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,尤其是質量和半徑,其實是有限制的;而這限制,跟物理性有關。

美國西南研究所(Southwest Research Institute)Natalie Hinkel 試圖從行星和母恆星之間的化學關連性,以及不同大小的行星可能有的內部結構和含有礦物等,來探討是什麼讓行星支持生命存在。

▲ 從原行星盤開始發展的行星家譜手繪圖。(Source:NASA

岩質行星 vs. 氣體行星

太陽系行星分成兩大類:體積質量小、岩質且密度大的類地行星,體積質量大且為氣體的類木行星。迄今偵測到的行星大都落在這兩類。但事實上,從克卜勒任務(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,所謂的「超級地球」(super-Earth)處有個沒填滿的空隙。超級地球指半徑約地球 1.5~2 倍,質量約地球 5~10 倍的系外行星。為什麼超級地球數量少?為什麼天文學家只看得到小型岩質行星和巨大的氣體行星?

兩類行星之間的差異,以及超級地球空隙的出現,都與行星大氣有關,特別是行星形成的時候。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成為正式的恆星,這個過程並不完美。恆星形成後,還殘留著大量多餘氣體、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扁平、環狀的拱星盤。盤內塵粒彼此碰撞黏合形成小石塊,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。當行星體積增長時,質量和重力也隨之增加,不僅能從累積塵埃和岩石成長,還能積聚氣體,最後形成大氣層。

拱星盤有大量氣體,和恆星及宇宙誕生之初一樣主要組成都是氫和氦,但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岩石物質。

▲ 已確認的超級地球與地球體積比較圖。(Source:NASA)

超級地球缺失問題

如果行星維持體積偏小狀態,即半徑小於 1.5 倍地球半徑時,重力不足以掌控像木星或海王星那樣的龐大大氣層,但如果再長大一點,能捕獲的氣體就會愈來愈多而形成大氣層,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,行星可以是小型岩質行星,也可能是大型氣體行星。

按理來說也能形成介於中間的超級地球,但其實很困難,因為一旦質量大到足以開始重力累積時,就如同雪崩停不下來,只有在某種特別環境才能停止氣體持續往行星累積而成為超級地球。這種狀況有時稱為「不穩定平衡」(unstable equilibrium),只要天體位置稍微移動,或只要多累積一點氣體,就會打破平衡狀態,持續往氣體巨行星發展。這種狀況造成超級地球的數量不會太多,成為前述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。當行星向母恆星的方向遷移時,大氣被加熱,導致原子和分子移動非常快而脫離行星重力掌控,有些小型岩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。所以不會有巨型岩質行星,也不會有小型氣體行星出現。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。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖來源:pixabay