最大的行星有多大?

文:刘一、1949101、晋童

我们都知道,木星是太阳系中最大的行星,其体积是地球的1300多倍,质量是其他七大行星总和的2.5倍还多。那么宇宙中是否存在比木星还大的行星呢?他们的存在是否还满足我们定义行星的标准呢?

KELT-11b,是迄今发现膨胀率较高的系外行星之一,同时它也是密度最低的行星,拥有木星五分之一的质量,半径却比木星大40%,密度接近聚苯乙烯塑料。(图源:沃尔特鲁滨逊/理海大学)

2017年8月,一个天文学家团队公布了首例潜在系外卫星——绕行系外行星的天体。这个类似于“地月系统”的系外行星Kepler-1625b和它对应的候选卫星Kepler-1625b-i距离地球大约4000光年,据推测,该卫星的体积与海王星相当,在10月份的相关论文中也提及其质量可能约为地球的180倍,其围绕的行星Kepler-1625b质量是木星的10倍,约为地球的3000倍!

该系统的存在打破了一般的星体分类界限,因此我们不禁要问:应如何判定一个物体的大小?最大的行星有多大?对比理论上可行的所有行星体积,地球算大还是小?这些问题的答案取决于你对“大”的定义,指的是质量,还是体积。下面我们分别进行讲解。

行星质量

如果你认为质量是判定行星规模的标准,那么我们先来看几个定义或性质:

恒星:宇宙中靠核聚变(不断将核心的氢转化为氦)产生的能量而自身能发热发光的星体。

褐矮星:常被称为“夭折的恒星”,构成类似恒星,但质量不够大,可以引发氘聚变,但不足以在核心持续进行聚变反应的气态天体。其质量介于恒星与行星之间。

行星(性质):自身不能像恒星那样发生核聚变反应。

从上面的性质或定义,我们可以看出,区分行星和褐矮星需要评估其内部核聚变反应过程,但这些是无法通过外部观测得知的。聚变的临界质量取决于星体内部的各种化学元素。在合理的化学元素范围内,木星质量的11倍到16倍之间的某个值可能是成为划分行星和褐矮星的界限。尽管行星和褐矮星的区分界限是模糊的,但可以明确的是,所有低于11倍木星(或约3500倍地球)质量的星体必定属于行星类,而质量高于16倍木星质量的星体无疑能够自己产生能量,不再被定义为行星了。

行星体积

那么从体积角度来看,行星的外形大小是否有极限呢?答案非常出人意料。我们知道木星的直径是地球直径的11倍,而木星的这个尺寸竟然已经是行星尺寸的极限了!不管你再怎么往木星上堆东西,木星也不会变大,万有引力只会使木星的密度变得更大。

从木星到褐矮星,再到质量最小的矮星(大约是木星质量的70倍,正好是促成氢锂聚变的临界点),它们的大小几乎没有区别。所有星体的直径互相相差不到15%。这不可思议的大小恒定现象当然也意味着这些星体会有一些不寻常之处。

行星大小恒定:所有质量大于木星的星体,密度会更大,但尺寸上并不会变大了,除非大于70倍木星质量,成为红矮星(质量最小的恒星)。(图源:罗伯特·赫尔特/加州理工学院红外线分析过程研究中心,银河说翻译)

 比如恒星Trappist-1A,因为有7个地球大小的行星绕行而为人们所熟知。Trappist-1A是一颗温度较低的红矮星,只有太阳亮度的1/2000,但它确实是一颗恒星。持续稳定的核反应为其提供动力,可以维持其继续发热一万亿年,甚至更长。这颗红矮星的质量大约是木星的80倍。

然而,Trappist-1A的直径只比木星大不到10%。对比两个星体的质量和直径,我们发现这颗小恒星和所有红矮星一样密度极大,Trappist-1A的密度大约是木星的60倍。通俗地说,这个发光的氢等离子小球的密度能达到花岗岩的25倍,铅的6倍。

Trappist-1系统 图片来自银河说www.GalaxSay.com

虽然Trappist-1A内持续发生聚变反应,但反应太慢,放出的能量无法支撑恒星主体抵抗万有引力的牵引作用。

更为夸张的是红矮星EBLM J0555-57Ab,最近天文学家测量出这颗红矮星和土星差不多大,比木星小15%。这是目前已知的最小的成年恒星(而不是像白矮星或者中子星那样的老年恒星),它的密度是铅的17倍,水的188倍!

但也不是没有例外情况,一些行星的运行轨道距离其恒星极近,温度过高造成体积过度膨胀。“泡沫塑料”一样的系外行星KELT-11b比木星大40%,但质量只有木星的1/5。HD100546bn的直径是木星的7倍左右,是已知最大的行星,但需要注意的是,目前该行星似乎仍在膨胀,就目前的观测来看,它的性质还无法完全确定,也许只是一颗初期褐矮星。

除上述特例之外,行星大小恒定的规律则完全适用。行星质量变大,但其体积并不会随之变大。它们的密度会不断增大,直到发生核聚变反应,那就不再是行星了。

 

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