天吶!地球居然是太陽系密度最大的天體

2020-12-04 解仁江

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作者：Ethan Siegel

發布於Forbes宇宙大爆炸專欄

翻譯：毛明遠

校對：牧夫天文校對組

後期：庫特莉亞芙卡，李子琦

「

我們太陽系內有恆星、行星、矮行星、衛星、小行星，這些天體中誰的密度最大呢？第一感覺，會覺得是大質量大體積的天體，憑藉對萬有引力和天體演化的理解，木星、太陽的密度會勝出？但實際上它們的密度不足地球的四分之一。

換一個角度，你可能會認為重元素較多的天體密度會更大，這樣水星就是密度最大的，但事實並不是這樣的。目前，已知的足夠大的天體中地球是密度之王，這究竟是什麼原因呢？

八大行星按照實際大小比例排列，但距離並非實際比例。

Credit: WIKIMEDIA COMMONS USER WP

密度是最簡單的物質特性之一，但並不是最基礎要素，它由質量和體積決定。從顯微尺度到天文尺度，所有常規物質都具有一定的內在能量：我們通常所說的質量。它們同時佔據了一定的空間：我們所說的體積。密度是兩者的比值。

太陽系如同所有恆星系統一樣誕生於恆星生成區域的氣體塵埃雲。45億年前太陽系就是在引力作用下逐漸形成的。我們藉助阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列(ALMA)能夠直接觀測研究恆星和原行星盤演化。

ALMA影像：一顆年輕的恆星HL Tauri周圍是原行星盤，行星正在形成。光譜分析表明其存在大量和多種有機含碳化合物。

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

正如上圖展示的，新的恆星、行星、衛星、小行星甚至外側帶(類似柯伊伯帶)正在形成，我們可以看到中間的空缺，行星正在形成，它們正「清除」所在區域的塵埃和氣體；我們同樣可以看到，溫度從中心的高溫區域向外遞減。

但是，我們無法看到物質是如何分布的，它們中的物質包括輕元素到重元素、簡單到複雜的物質分子，甚至有機分子。這裡有三個因素主導著物質如何分布。

行星大小比較：地球半徑比金星大5%；但海王星半徑是地球的近5倍。

Credit: LSMPASCAL OF WIKIMEDIA COMMONS

一、引力作用

由微小粒子構成的物質盤處於旋轉狀態，靠內側的速度略高於外側，引起碰撞聚集。那些已形成的稍大顆粒，或是小顆粒聚集成的稍大顆粒，它們的引力作用也會增強，吸引越來越多的顆粒。經過千百萬年，行星逐漸形成了。

二、中心高溫和強輻射

新生區域中心物質聚集，溫度和壓力逐步上升，恆星形成。在靠近恆星的周圍，只有較重的元素可以留存，較輕的元素在高溫和高強度輻射下裂解，因此最內側的行星由大量金屬元素構成。往外側，有一個界限，我們太陽系這一界限內側是巖質行星，外側是氣態行星。而且，整個恆星系統從內往外的物質分布可以看出，重元素逐步減少。

三、行星遷移

宇宙的時間尺度下，複雜的外部引力作用下行星的運行並不穩定，會發生遷移，可能撞向太陽，可能撞向其他天體，在靠近太陽時，原本的冰凍狀態物質會揮發。如果太靠近恆星，恆星的「大氣」會增加摩擦以致於行星的軌道不再穩定，逐漸「墜入」恆星。如今我們太陽系已形成45億年了，我們猜測在早期發生過很多事件。

示意圖展示了一個原行星盤，恆星將「吹走」附近行星大量輕元素，遠處的較大質量天體比如木星和土星hold住了氫、氦等輕元素。

Credit: NAOJ

我們現在的太陽系貌似遵循著一個較為穩定的運行模式：我們有8顆行星圍繞著太陽在各自橢圓軌道上做周期運行；水星是最靠近太陽的，往外分別是金星、地球、火星、小行星帶、四顆氣態行星（以及它們的衛星）、柯伊伯帶以及奧爾特雲。

如果按照元素構成，水星將是密度最高的，它擁有高比例的較重元素。即使運行到靠近太陽的小行星，外側物質揮發後，它們的密度也不會超過水星。第二是金星，第三是地球，其後是火星，一些小行星，還有就是木星的最內側衛星木衛一(Io)。

但是通過研究廣大的太陽系外行星，我們了解到除了原始物質構成外，引力下的壓縮發揮了巨大作用。如果質量小於地球的兩倍，這顆行星還將是一顆巖質行星，因為更大的引力壓縮作用，它擁有更高的密度。超過這一界限將會是一顆氣態行星，外周氣體會顯著降低它的密度，因此土星就是一顆密度最低的行星。另外一個界限下，引力壓縮作用又會是主導，因此土星體積是木星的85%，但質量僅是木星的1/3。如果是更大的質量，超過下一個界限，核聚變將啟動，它會是一顆恆星！

月球起源的一種猜測：巨大撞擊下形成巖石蒸汽「Synestia」，之後形成月球。

Credit: SARAH STEWART/UC DAVIS/NASA

如果有一顆木星一樣的行星靠近太陽，它的大氣將被剝去，剩下的內核將會是太陽系密度最高的天體。在行星生成階段，高密度和重元素會趨於內核，引力壓縮下它的密度會進一步增加，但是我們太陽系並不存在這樣的行星。在太陽系，地球就是密度最高的天體，雖然構成它的元素整體比水星輕2-5%，但地球擁有約水星18倍的質量，更大的引力壓縮作用超過了上述因素。

但地球最特別的當屬它孕育著生命！我們要加倍呵護它！

專欄打賞

『天文溼刻』 牧夫出品

8大行星密度對比

Credit: NASA

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