木星:失败的王储,比某些恒星还大,却仍然只是一颗行星

2021-01-12 21:45:02 姿势分子knowledge

失败的王储

在太阳系八大行星中,木星绝对是无可争议的霸主。木星的质量是除太阳以外所有天体总和的2.5倍,甚至可以凭借强大的引力,将太阳系的质心拖出太阳表面以外数十万公里。

而科学家的观测结果表明,和太阳一样,木星的主要组成元素也是氢和氦。太阳71%的质量是氢,27%的质量是氦,其余部分由其他元素组成;类似的,木星有73%被氢占据,25%的部分是氦,其他元素占了2%的质量。如此类似的组成元素和比例,使得二者的密度也几乎相同,太阳是每立方厘米1.408克,木星则是每立方厘米1.326克;相比之下,地球这样的岩石星球密度就大得多,每立方厘米达到了5.5克。

因此,科学家一直在思考:为什么木星没有变成恒星?

目前的理论也很明确:木星的质量虽然很大,但是还不够大,不足以在核心处形成足够强大的压力和足够高的温度,以至于能够引发核聚变反应。科学家还给它起了一个颇有味道的绰号:失败的王储。

比木星还小的恒星

可是,当科学家们看到一颗名为EBLM J0555-57Ab的天体时,问题又再一次浮出水面了。

2017年的时候,科学家第一次在距离我们600光年以外的绘架座方向发现了这颗恒星。据观测,它位于一个三合星系统中,其中两颗是和太阳类似的恒星。而2017年科学家在这里发现的第三颗恒星,也就是EBLM J0555-57Ab,确实显得非常特别。

观测结果表明,它的半径只有大约59000万公里,是迄今为止发现的最小恒星。这个半径在太阳系内,别说和太阳比,就连和木星比都相形见绌,只有木星的84%左右,仅比土星大一点。

(图片说明:EBLM J0555-57Ab与木星、土星的对比)

那么问题来了:为何木星那么大都只能是一颗行星,而EBLM J0555-57Ab更小,反而成为了一颗恒星呢?

答案很简单,因为决定一颗天体能否成为恒星的根本条件,就在于其核心处的氢能否自发进行核聚变反应。而核聚变反应的进行与否,又取决于它的质量。虽然体积小得多,但EBLM J0555-57Ab的质量达到了木星的85倍,恰好达到了理论上可以进行核聚变的程度,于是它就被“点燃”了。如果质量再小一点,它恐怕也就只能做一颗行星了。

相比之下,木星的质量远远不足以进行核聚变,因此它成为了一颗冰冷的行星。

接下来还有一个问题:当初为何木星只获得了这么少的质量?它为何没有成长得更巨大一些呢?这就要说到行星的形成模型了。

天体的形成模型

我们知道,恒星都是形成于一片原始星云的坍缩的。在引力的作用下,物质向一个质心不断下落,质量不断累积。当它的质量足够大时,就会在核心处提供足够的温度和压力来进行核聚变。在这颗恒星被点亮的时候,它周围可能仍然还有大量的物质弥散在宇宙空间,其中一部分会继续下落,但是当恒星的辐射过强时,这些物质就不会再被恒星吞噬了,这是天体的引力坍缩模型

对于木星这样的气体行星来说,它们的形成很可能是以通过所谓的卵石吸积模型来完成的。据推测,在太阳刚形成后,有一些小冰块或者岩石在绕其公转。它们通过碰撞和静电力相互结合,不断成长,最终变成了一颗行星。当它的质量达到地球10倍左右的时候,就会开始吸积更多的气体,继续壮大,这就是所谓的核心吸积模型

这一点已经得到NASA科学家的进一步论证,朱诺号探测器的观测结果表明,木星曾经的确是有一个核心的。

就是通过这样的过程,木星一路成长到地球质量的318倍,也就是太阳质量的1‰。这时,木星周围的物质基本上已经被它吸积殆尽,它也就停止了成长。因此,对于木星来说,它只能怪自己“生得晚”,太阳系内绝大部分物质都被太阳所占据,给它留下的物质实在太少,以至于它没有成长到足够大的质量。

“被阉割的恒星”

说木星是失败的恒星,也没有什么毛病。不过在宇宙中,还有比木星更加悲惨的,因为它们真的是差一点就成功了,这种天体就是褐矮星。

所谓的褐矮星,就是介于恒星和行星之间的天体。说它不是恒星,是因为它的核心处确实无法进行氢聚变反应;而说它不是行星,是因为它内部的氢虽然无法聚变,但氢的同位素氘(即含有一个中子的重氢)却对反应条件要求更低一些,因此可以发生聚变反应。

不过,由于氘的含量较低,因此这样的聚变只能维持10000年左右。而且,氘的聚变所产生的能量也远小于氢,所以褐矮星的温度也远比普通恒星要低得多,有的褐矮星表面温度甚至在零下。

即便是这样被“阉割”了的核聚变,木星也无法实现。

1995年,科学家们首次在宇宙中观测到了褐矮星。在那个时候,科学家们仍然对这种天体的形成争论不已。从核聚变的角度来说,它的确介于恒星和行星之间,那么它的形成过程到底是类似于行星还是恒星呢?

研究结果表明,褐矮星的形成模式正是和普通恒星类似的引力坍缩模型,与木星并不相同。这意味着,引力坍缩模型和核心吸积模型模型之间有一个分界线。

根据科学家的推测,这个分界线的具体数字大约是木星的10倍质量。也就是说,通过木星这样的核心吸积模型形成的天体,最多只能达到这个数字。而这个质量是远远不足以让木星内部产生氢的聚变或者是氘的聚变的,因此从一开始,木星就没有成为恒星的潜质。

所以,虽然木星体积非常大,但距离核聚变还差得很远。表面上看是因为质量不足,实则根本原因早在形成初期就已经埋下了。如果它不是通过核心吸积的方式,而是通过引力坍缩的方式形成,那么就有机会形成一颗恒星。而如今,它只能在太阳面前俯首帖耳,安心做一颗行星了。

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