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氣體巨行星

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太陽系的4顆氣體巨行星與太陽邊緣的比較(合於比例)
太陽系內氣體巨行星的相對質量

氣體巨行星英语Gas giant),又名類木行星英语Jovian planet),為非主要以岩石和固態物質組成之巨行星。我們的太陽系有四個氣體巨行星:木星土星天王星海王星。近年來,天文學家們亦在太陽系外發現許多環繞其他恆星的氣體巨行星。[1]

大於10倍地球質量之行星即為巨行星。質量較低之氣體行星有時也被稱為氣體矮巨星(gas dwarfs)。質量足以自行氘核融合反應之星體(以太陽主成份為例,至少要13倍木星質量)稱為棕矮星,其質量涵蓋了大型氣體巨行星與低質量恆星之間的範圍。然而,國際天文聯合會針對氣體巨行星的「13倍木星質量」定義上限來自經驗法則,並不具精確的物理意義。較大的氣態星體將融合自身多數的,較小的星體只融合少部份的氘,而13倍木星質量左右的星體的氘融合量則恰好在中間。[2]氘融合量不只取決於質量,亦和星體的成份,尤其與氘氦含量相關。[3]太陽系外行星百科當中甚至記載了質量高達25倍木星質量的系外行星[4],比過往記載的20倍木星質量高[5];而太陽系外行星軌道資料庫英语Exoplanet Data Explorer也將類木行星質量上限暫定為24倍木星質量。[6][7]


一般特色[编辑]

太陽系的氣體巨行星內部構造

氣體巨行星具有濃厚的氫氦大氣與碩大的質量。這些行星也可能具有熔融岩石核心,但若該行星本身的具有足够的熱能,則其核心可能蒸发并與大氣溶合並平均分散於整個行星。「傳統」類木行星,如木星土星,主要以所構成。但在天王星海王星裡,氫與氦只構成了大氣頂層,其內部主成份為甲烷冰。因此科學家們稱天王星與海王星為「冰巨星」(Ice Giants)。[8]

太陽系外行星的其中一類——熱木星,為環繞恆星公轉半徑極小的氣體巨行星。這類行星表面溫度極高,且因該類行星較易探測之故,為目前已發現的太陽系外行星之大宗。[9]

一般認為,氣體巨行星不具固體表面,但「氣體巨行星根本沒有表面可言」的說法較為貼切,因為隨著與行星核心的距離增加,大氣密度呈連續性遞減,直到與星際空間幾乎相同為止。因此在類木行星上「降落」的可能與否,將取決於其核心的質量與組成。[10]

太陽系的氣體巨行星[编辑]

木星和土星[编辑]

木星土星的成份以氫氦為主,其中重元素佔總值量的3%至13%[11]。據推測,木星與土星的結構大致由氣態分子氫的外層包覆著液態金屬氫的內層與可能為融熔岩石的核心。大氣層最外側擁有多層水氨雲的特徵,而內側的氫在極大的氣壓下呈現導電的金屬物理特性。這層稱為「金屬氫」的結構佔了木星與土星的最大部份。一般認為,木星土星的核心由較重的元素組成,但在高壓下與20000K的高溫下,這些元素的特徵至今仍鮮為人知。[11]

環帶的循環[编辑]

木星表面上明顯的環帶

木星大氣層裡環繞著平行於赤道的帶狀結構,其外觀可見到明亮的「區」(Zones)與深色的「帶」(Belts)相互循環著。[12]明亮的「區」位於較高的大氣層,擁有高氣壓中心與上升氣流。暗淡的「帶」位於較低的大氣層,擁有低氣壓中心與沉降氣流。[13]木星與地球的大氣皆有高低氣壓分布的情形,但不同於地球上的塊狀氣壓中心分布,木星上的氣壓中心呈帶狀分布,等壓線幾乎和緯線平行,水平包圍整個星球。根據推測,這類現象應與行星高速自轉與均勻對稱的結構有關。木星不像地球,沒有大陸大洋產生的局部大氣溫差,且自轉速度比地球快上許多。[14]不過,木星大氣上仍有一些次要結構:分布在各處的大小異色斑點。這些斑點為巨型風暴,有些甚至是閃電風暴;其中以木星上具三百年觀測歷史的大紅斑最為顯著。[15]

天王星和海王星[编辑]

天王星海王星的內部成份與木星土星有顯著差異。自雲層頂端向下延伸至85%海王星半徑到80%天王星半徑的範圍為大氣外層,同樣也富含氣。在這範圍之下的內部區域則大致呈現「冰凍」狀態,其組成以甲烷為主。[16]該區域也可能存在氣體和岩石,但在特定的冰、氣、岩比例下,混合物的外觀酷似純冰,故天王星與海王星內部的氣體和岩石比例目前仍是未知數[17]

由於天王星、海王星極為朦朧的大氣當中含有些許甲烷,使兩行星的外觀分別為嬰兒藍與深海藍色。兩行星皆有與自轉軸高度傾斜磁場。[18]

與其他類木行星不同的是,天王星擁有極為傾斜的自轉軸,使天王星擁有極端且奇特的季節變化。[19]

太陽系以外的氣體巨行星[编辑]

热木星[编辑]

藝術家筆下的热木星
开普勒7b與木星的比較

由於目前系外行星偵測法的技術有限,至今發現的大多數系外行星的質量之大,幾乎坐落在太陽系的類木行星範圍。學界普遍認為,比起土星天王星海王星,這些行星和木星的共通點較多,因此部份學者甚至認為,將這些系外行星稱為「類木行星」較為妥當。[20][21]

許多系外行星都非常靠近母星,其表面溫度遠超太陽系的類木行星,使科學家不禁懷疑,這些行星當中可能包含太陽系內從未見過的全新行星類型。[22]根據化學元素豐度,宇宙中98%的物質為氫與氦,因此科學家並不認為宇宙中存在質量比木星大且以岩石為主的行星;然而,雖然先前的行星演化理論指出,氣體巨行星無法在靠近恆星的區域形成,科學家們卻在其他恆星附近發現了違反這項理論的系外熱木星。[23]

冷木星[编辑]

一個超過木星質量、未滿500倍地球質量(1.6倍木星質量)的冷木星,其體積僅略大於木星。[24]超過500倍地球質量的行星則將因簡併壓力而縮小。[24]克赫歷程可使一個同木星的氣體巨行星釋放比從母星吸收之能量還更多的熱能。[25][26]

較小的氣體行星[编辑]

鯨魚座79b,第一個被發現的質量下限小於土星的系外行星

在探討類木行星時,雖然「氣體」和「巨」兩詞經常合併使用,但以氫構成的氣體行星未必能演化到同太陽系內類木行星的大小。比起質量較大或公轉半徑較大的行星,較靠近恆星的小氣體行星將因流體逸散導致較快速的大氣成份流失。[27][28]

已知且可能為氣體行星的系外行星當中最小的為開普勒-11f,約為地球質量的2.3倍。[29]

命名[编辑]

「氣體巨行星」(Gas giants)一詞為科幻作家詹姆斯·布里士英语James BlishJames Blish)所創。[30]許多爭議指出這項命名的錯誤,因為氣體行星中除固態核心之外,大部份物質所承受的溫壓皆超過臨界點,無法區分其液相與氣相(参见“超临界流体”)。「流體行星」將會是更貼切的稱呼。然而,木星是一個特例:靠近核心的部份以金屬氫組成,但星球大部份範圍仍以超過臨界點的、與微量氣體為主。氣體巨行星的可見大氣範圍(小於特定光深度值的範圍)佔整體行星極小的部份,其深度約僅行星半徑的1%。科學家因此認為,氣體巨行星的可見大氣範圍皆以氣體組成(相對於地球火星的可見範圍,從大氣延伸至地殼,而非僅大氣本身)。[31]

然而,這項誤導認知的命名法反而廣為流行。傳統上,行星學家偏好使用「岩石」、「氣體」、「冰」來簡化常見行星組成物質的分類,並未將該物質實際在星球內部的狀態納入考量。在太陽系外側,被稱為「氣體」,被稱為「冰」,而矽酸鹽金屬則為「岩石」。探討接近核心的行星深處時,天文學家通常將「冰」指名為、將「岩石」指名為、並將「氣體」指名為。這種稱呼就目前看來,應與實際情形差異不遠。[32]

氣體巨行星的另一種稱呼為「類木行星」。這種稱呼似乎暗示,所有這類大型氣體行星皆和木星類似。然而,天王星海王星木星土星的差異之顯著,使部份學者僅在探討木星土星時才以「類木行星」一詞稱之,並將天王星與海王星另以「冰巨星(Ice giants)」稱之,來彰顯其內部以冰為主(形式為液態)的成份[33]

更细致的分类[编辑]

萨达斯基太阳系外行星分类法[编辑]

基于太阳系外行星中的气体巨行星表面温度呈现的外观不同,气态巨行星还可以分为更为细致的五类:[34](同样适用于太阳系的两大巨行星,但不适用于如天王星海王星巨冰行星

序号 预测球面反照率 表面温度 外观特征 例子
第一类(ClassI 0.57 低于150 K 木星土星巨蟹座55d
第二类(ClassII 0.81 不超过250 K 水蒸汽 巨蟹座55f
第三类(ClassIII 0.12 350 K-800 K 无云 格利泽876b巨蟹座55b
第四类(ClassIV 0.03 高于900 K 碱金属 TrES-2b
第五类(ClassV 0.55 高于1400 K 硅酸盐云、 飞马座51b

(图像为天文软件Celestia内针对各类型氣體巨行星的想象图)

相關條目[编辑]

參考文獻[编辑]

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參考資料[编辑]

  • SPACE.com: Q&A: The IAU's Proposed Planet Definition 16 August 2006 2:00 am ET
  • BBC News: Q&A New planets proposal Wednesday, 16 August 2006, 13:36 GMT 14:36 UK

外部鏈結[编辑]

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