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太阳系外行星的奥秘,你造吗?

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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:陈喆,毕业于南京大学天文系,现从事科学研究工作)

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