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冷木星

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一颗艺术家想像的冷木星。
一颗艺术家想像的冷木星。

冷木星(英语:Cold Jupiter),亦称双生木星Jupiter-twins[1]〕是一种系外气体巨行星,它们的质量接近或是超过木星质量(1.9 × 1027 kg),并且以与太阳系类木行星相大致相同形式的轨道绕著其母恒星公转[2][3]。在我们的太阳系内,木星土星都是这一类型行星。“冷木星”意味著行星的轨道位于行星系外侧较冷的区域内,但却并未考虑来自行星的内热[4][5]

结构

太阳系冷木星和冰巨星的内部构造
太阳系冷木星和冰巨星的内部构造

冷木星约90%的大气层都是由氢气组成,而氦气则构成了大气层的3至12%不等。这些轻元素占了行星大气层的总质量超过90%,而剩馀的仅为其他气体。这些气体包括甲烷水蒸气氨气。在其浓厚的大气层下,可能存在一个固体的核心。这个固态核心主要由融熔岩石组成,而行星的重元素也主要集中在核心中。[6]但是,由于冷木星本身的质量较大,其内部产生的压力有可能将核心融化掉,并因此令到整个行星再没有任何固体表面的存在。

物理特征

太阳、木星、地球与月球的半径比例图
太阳、木星、地球与月球的半径比例图

冷木星是其中一种拥有最大体积的行星。它们能容纳数百个地球,甚至逾千个地球。它们的质量亦非常高,一般比地球重数十倍,但部分比地球重数百倍。尽管如此,相比起恒星的质量,冷木星仍然相对轻得多。而因为它们是气体巨行星,所以其密度较低,约为每立方厘米1克,比类地行星的密度(每立方厘米3-6克)低得多,部分冷木星密度更低于水的密度(每立方厘米1克)。如果将它们放在水中的话,它会浮在水中呢![7]冷木星的自转周期亦非常之短促,通常少于半个地球日。而由于冷木星的密度较低、自转较快和流体本质的可变性,所以它们的扁率比类地行星要高得多。因为冷木星距离母恒星较远,所以它们的轨道周期较长,例如木星的轨道周期约为12年。而同样校由于它们距离母恒星较远,所以其表面温度仅为100 K至200 K。尽管如此,它们所产生的内热却可达20000 K,全因其巨大压力所致。而且,克赫历程更能让这些冷木星释放的热力比从恒星接收的热力还要多。[8][9]

萨达斯基太阳系外行星分类法中,冷木星主要为第一型行星,即氨云型行星。它们以氨作为云的主要成分,并且温度必须在150 K以下才能形成。[10]热木星主要为第四型和第五型行星。而第二型和第三型则徘徊在冷木星和热木星之间,因为它们的表面温度不符合“冷”木星的要求,但温度又不及热木星般高。[11]

太阳系中的冷木星

木星的内部结构,其中大部分为金属氢。
木星的内部结构,其中大部分为金属氢

木星

“冷木星”一名是取自木星,这代表木星是冷木星的一个典型例子。木星的规模非常大,其半径为71,492公里,约为地球的11倍。而其体积则为1.43128×1015立方公里,约为地球的1300倍。 其规模是如此的大,木星本身甚至能容纳太阳系中除太阳外的所有天体。[12]其质量也非常大,约为地球的300倍,比太阳系中其他天体的质量总和还要重2.5倍。[13]尽管其规模和质量均位列太阳系之最,但其密度仍然相对较低。作为一个气体巨行星,其平均密度为每立方厘米1.326克,比地球(约每立方厘米5.5克)低得多。[12]其自转周期为9.925小时,是太阳系自转周期最短的行星。[14]

木星的半长轴为5.2 AU,轨道周期为11.8年。[15]由于距离太阳甚远,故其表面温度仅为165 K(-108℃)。[12]在木星的大气中,有约90%的成分为氢,10%为氦,而剩馀的质量则主要为甲烷、氨和氘化氢。而在90%的氢中,金属氢又占了大多数。[12]

土星

土星的环系统
土星的环系统

土星是太阳系中物理特征与木星最相似的行星,其本身也是一个冷木星。土星最明显的特征在于其明显的行星环系统,而很多系外冷木星相信也具有环系统。土星的规模比木星稍小,体积仅为地球的760倍。其质量则比木星小得多,仅为地球的95倍。由于其密度非常低(每立方厘米0.687克),所以土星能够浮在水上。[16]其自转周期(10小时32-47分钟)比木星慢,但仍然快于类地行星。[17]

土星的半长轴为9.6 AU,轨道周期为29年。土星与太阳的距离比木星还要远一倍以上,所以其表面温度仅为134 K(-139℃)。[16]土星96%的大气层为氢,3%为氦。与木星相同,土星大气层剩馀1%质量主要为甲烷、氨等气体。[16]

天王星和海王星

尽管天王星海王星均为气体巨行星,且它们的表面温度均比木星和土星还要低,但是因为它们的大气结构与木星和土星不同,只有20%的成份是氢气,因此并不能被归类为冷木星,而会被归类为冰巨星或冷海王星。[18]

热木星

蓬松行星(右)与木星(左)的大小比较
蓬松行星(右)与木星(左)的大小比较

主条目:热木星 与冷木星相反,热木星是指因距离母恒星非常接近,所以表面温度极高的气体巨行星。它们的半长轴通常为0.5至0.015 AU,表面温度因恒星的加热而上升至数百开氏度。尽管如此,其物理特性在很多方面却与冷木星相同。另外,这些热木星其实原本也是一个冷木星,但后来因各种原因而进行了行星迁移,并变得如此接近母恒星。[19]部份热木星更会因恒星加热而变成蓬松行星,即质量比木星小,但体积却比木星大的气体巨行星。[20]

已知的冷木星

艺术家笔下的飞马座V342b
艺术家笔下的飞马座V342b

相关条目

参考资料

  1. ^ Jones, Barrie W. Life in the Solar System and Beyond 1st. 2004: 230 [2010-06-03]. ISBN 978-1852331016. (原始内容存档于2014-01-08). 
  2. ^ Astrometry Bags a ‘Cold Jupiter’, Centauri Dreams, 2009-05-29 [2009-09-07], (原始内容存档于2012-04-10) 
  3. ^ Discovery: Even Tiny Stars Have Planets, Space.com, 2009-05-28 [2010-06-03], (原始内容存档于2010-12-08) 
  4. ^ 50-year-old planet-hunting method nabs its first planet, 天文学杂志, 2009-05-29 [2010-06-03], (原始内容存档于2009-07-06) 
  5. ^ Than, Ker, Planet Found Orbiting Same-Size Star, 国家地理学会, 2009-05-29 [2010-06-03], (原始内容存档于2009-09-01) 
  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]. (原始内容存档于2016-03-03). 
  10. ^ Sudarsky, D., Burrows, A., Pinto, P. Albedo and Reflection Spectra of Extrasolar Giant Planets. The Astrophysical Journal. 2000, 538 (2): 885–903 [2013-12-19]. Bibcode:2000ApJ...538..885S. arXiv:astro-ph/9910504. doi:10.1086/309160. (原始内容存档于2020-04-11). 
  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]. (原始内容存档于2018-12-26). 
  15. ^ Seligman, Courtney. Rotation Period and Day Length. [2009-08-13]. (原始内容存档于2018-12-26). 
  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]. (原始内容存档于2008-07-24). 
  18. ^ M. Hofstadter w/ co-authors - The Atmosphere of the Ice Giants, Uranus and Neptune (PDF). [2013-12-19]. (原始内容存档 (PDF)于2016-05-14). 
  19. ^ Characterizing the Cool KOIs II. The M Dwarf KOI-254 and its Hot Jupiter[永久失效链接]: 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 [2013-12-19]. (原始内容存档于2017-12-01). 

外部链接

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