冷木星

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一顆藝術家想像的冷木星。

冷木星英语:Cold Jupiter),亦稱雙生木星Jupiter-twins[1]〕是一種系外氣體巨行星,它們的質量接近或是超過木星質量(1.9 × 1027 kg),並且以與太陽系類木行星相大致相同形式的軌道繞著其母恆星公轉[2][3]。在我們的太陽系內,木星土星都星這一類型行星的典型例子。「冷木星」這個名詞意味著行星的軌道位於行星系外側較冷的區域內,但卻並未考慮來自行星的內熱[4][5]

結構[编辑]

太陽系冷木星和冰巨星的內部構造

冷木星約90%的大氣層都是由氫氣組成,而氦氣則構成了大氣層的3至12%不等。這些輕元素佔了行星大氣層的總質量超過90%,而剩餘的僅為其他氣體。這些氣體包括甲烷水蒸氣氨氣。在其濃厚的大氣層下,可能存在一個固體的核心。這個固態核心主要由融熔岩石組成,而行星的重元素也主要集中在核心中。[6]但是,由於冷木星本身的質量較大,其內部產生的壓力有可能將核心融化掉,並因此令到整個行星再沒有任何固體表面的存在。

物理特徵[编辑]

太陽、木星、地球與月球的半徑比例圖

冷木星是其中一種擁有最大體積的行星。它們能容納數百個地球,甚至逾千個地球。它們的質量亦非常高,一般比地球重數十倍,但部分比地球重數百倍。儘管如此,相比起恆星的質量,冷木星仍然相對輕得多。而因為它們是氣體巨行星,所以其密度較低,約為每立方厘米1克,比類地行星的密度(每立方厘米3-6克)低得多,部分冷木星密度更低於水的密度(每立方厘米1克)。如果將它們放在水中的話,它會浮在水中呢![7]冷木星的自轉週期亦非常之短促,通常少於半個地球日。而由於冷木星的密度較低、自轉較快和流體本質的可變性,所以它們的扁率比類地行星要高得多。因為冷木星距離母恆星較遠,所以它們的軌道週期較長,例如木星的軌道週期約為12年。而同樣校由於它們距離母恆星較遠,所以其表面溫度僅為100 K至200 K。儘管如此,它們所產生的內熱卻可達20000 K,全因其巨大壓力所致。而且,克赫歷程更能讓這些冷木星釋放的熱力比從恆星接收的熱力還要多。[8][9]

薩達斯基太陽系外行星分類法中,冷木星主要為第一型行星,即氨雲型行星。它們以氨作為雲的主要成分,並且溫度必須在150 K以下才能形成。[10]熱木星主要為第四型和第五型行星。而第二型和第三型則徘徊在冷木星和熱木星之間,因為它們的表面溫度不符合「冷」木星的要求,但溫度又不及熱木星般高。[11]

太陽系中的冷木星[编辑]

木星的內部結構,其中大部分為金屬氫

木星[编辑]

「冷木星」一名是取自木星,這代表木星是冷木星的一個典型例子。木星的規模非常大,其半徑為71,492公里,約為地球的11倍。而其體積則為1.43128×1015立方公里,約為地球的1300倍。 其規模是如此的大,木星本身甚至能容納太陽系中除太陽外的所有天體。[12]其質量也非常大,約為地球的300倍,比太陽系中其他天體的質量總和還要重2.5倍。[13]儘管其規模和質量均位列太陽系之最,但其密度仍然相對較低。作為一個氣體巨行星,其平均密度為每立方厘米1.326克,比地球(約每立方厘米5.5克)低得多。[12]其自轉週期為9.925小時,是太陽系自轉週期最短的行星。[14]

木星的半長軸為5.2 AU,軌道周期為11.8年。[15]由於距離太陽甚遠,故其表面溫度僅為165 K(-108℃)。[12]在木星的大氣中,有約90%的成分為氫,10%為氦,而剩餘的質量則主要為甲烷、氨和氘化氫。而在90%的氫中,金屬氫又佔了大多數。[12]

土星[编辑]

土星的環系統

土星是太陽系中物理特徵與木星最相似的行星,其本身也是一個冷木星。土星最明顯的特徵在於其明顯的行星環系統,而很多系外冷木星相信也具有環系統。土星的規模比木星稍小,體積僅為地球的760倍。其質量則比木星小得多,僅為地球的95倍。由於其密度非常低(每立方厘米0.687克),所以土星能夠浮在水上。[16]其自轉週期(10小時32-47分鐘)比木星慢,但仍然快於類地行星。[17]

土星的半長軸為9.6 AU,軌道周期為29年。土星與太陽的距離比木星還要遠一倍以上,所以其表面溫度僅為134 K(-139℃)。[16]土星96%的大氣層為氫,3%為氦。與木星相同,土星大氣層剩餘1%質量主要為甲烷、氨等氣體。[16]

天王星和海王星[编辑]

儘管天王星海王星均為氣體巨行星,且它們的表面溫度均比木星和土星還要低,但是因為它們的大氣結構與木星和土星不同,只有20%的成份是氫氣,因此並不能被歸類為冷木星,而會被歸類為冰巨星冷海王星[18]

熱木星[编辑]

蓬鬆行星(右)與木星(左)的大小比較

主条目:热木星 與冷木星相反,熱木星是指因距離母恆星非常接近,所以表面溫度極高的氣體巨行星。它們的半長軸通常為0.5至0.015 AU,表面溫度因恆星的加熱而上升至數百開氏度。儘管如此,其物理特性在很多方面卻與冷木星相同。另外,這些熱木星其實原本也是一個冷木星,但後來因各種原因而進行了行星遷移,並變得如此接近母恆星。[19]部份熱木星更會因恆星加熱而變成蓬鬆行星,即質量比木星小,但體積卻比木星大的氣體巨行星。[20]

已知的冷木星[编辑]

藝術家筆下的飛馬座V342b

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ Jones, Barrie W. Life in the Solar System and Beyond 1st. 2004: 230. ISBN 978-1852331016. 
  2. ^ Astrometry Bags a ‘Cold Jupiter’, Centauri Dreams, 2009-05-29 [2009-09-07] 
  3. ^ Discovery: Even Tiny Stars Have Planets, Space.com, 2009-05-28 
  4. ^ 50-year-old planet-hunting method nabs its first planet, 天文學雜誌, 2009-05-29 
  5. ^ Than, Ker, Planet Found Orbiting Same-Size Star, 國家地理學會, 2009-05-29 
  6. ^ The Interior of Jupiter, Guillot et al, in Jupiter: The Planet, Satellites and Magnetosphere, Bagenal et al, editors, Cambridge University Press, 2004
  7. ^ Seager, S.; Kuchner, M.; Hier-Majumder, C. A.; Militzer, B. Mass-Radius Relationships for Solid Exoplanets. The Astrophysical Journal. 2007, 669 (2): 1279–1297. Bibcode:2007ApJ...669.1279S. arXiv:0707.2895. doi:10.1086/521346. 
  8. ^ Patrick G. J. Irwin. Giant Planets of Our Solar System: Atmospheres, Composition, and Structure. Springer. 2003. ISBN 3-540-00681-8. 
  9. ^ Class 12 - Giant Planets - Heat and Formation. 3750 - Planets, Moons & Rings. Colorado University, Boulder. 2004 [2008-03-13]. 
  10. ^ Sudarsky, D., Burrows, A., Pinto, P. Albedo and Reflection Spectra of Extrasolar Giant Planets. The Astrophysical Journal. 2000, 538 (2): 885–903. Bibcode:2000ApJ...538..885S. arXiv:astro-ph/9910504. doi:10.1086/309160. 
  11. ^ Sudarsky, D., Burrows, A., Hubeny, I. Theoretical Spectra and Atmospheres of Extrasolar Giant Planets. The Astrophysical Journal. 2003, 588 (2): 1121–1148. Bibcode:2003ApJ...588.1121S. arXiv:astro-ph/0210216. doi:10.1086/374331. 
  12. ^ 12.0 12.1 12.2 12.3 Williams, Dr. David R. Jupiter Fact Sheet. NASA. 2004年11月16日 [2007-08-08]. (原始内容存档于2011-10-05). 
  13. ^ Burgess, Eric. By Jupiter: Odysseys to a Giant. New York: Columbia University Press. 1982. ISBN 0-231-05176-X. 
  14. ^ Seidelmann, P. K.; Abalakin, V. K.; Bursa, M.; Davies, M. E.; de Burgh, C.; Lieske, J. H.; Oberst, J.; Simon, J. L.; Standish, E. M.; Stooke, P.; Thomas, P. C. Report of the IAU/IAG Working Group on Cartographic Coordinates and Rotational Elements of the Planets and Satellites: 2000. HNSKY Planetarium Program. 2001 [2007-02-02]. 
  15. ^ Seligman, Courtney. Rotation Period and Day Length. [2009-08-13]. 
  16. ^ 16.0 16.1 16.2 Williams, Dr. David R. Saturn Fact Sheet. NASA. September 7, 2006 [2007-07-31]. (原始内容存档于2011-08-21). 
  17. ^ Than, Ker. Length of Saturn's Day Revised. Space.com. September 6, 2007 [2007-09-06]. 
  18. ^ M. Hofstadter w/ co-authors - The Atmosphere of the Ice Giants, Uranus and Neptune
  19. ^ Characterizing the Cool KOIs II. The M Dwarf KOI-254 and its Hot Jupiter: John Asher Johnson, J. Zachary Gazak, Kevin Apps, Philip S. Muirhead, Justin R. Crepp, Ian J. M. Crossfield, Tabetha Boyajian, Kaspar von Braun, Barbara Rojas-Ayala, Andrew W. Howard, Kevin R. Covey, Everett Schlawin, Katherine Hamren, Timothy D. Morton, James P. Lloyd
  20. ^ Chang, Kenneth. Puzzling Puffy Planet, Less Dense Than Cork, Is Discovered. The New York Times. 2010-11-11. 

外部連結[编辑]