大小超過地球三倍的行星，為什麼會停止生長？木星土星只是個例？

2020-10-18 博科園

多年來，據我們所知，太陽系在宇宙中是孤零零的。然後，更好的望遠鏡開始揭示圍繞著遙遠恆星旋轉的行星寶庫。如早在2014年美國國家航空航天局(NASA)的克卜勒太空望遠鏡就為科學家們提供了700多顆全新的遙遠行星，其中許多與我們之前看到的不同。這些行星體積較小，大部分質量都是巖石，而不是像木星這樣的氣體巨星，因為它們更容易被觀測到，所以早期的觀測首先發現了熱木星。

天文學家注意到，有許多這樣的行星，大小和地球差不多，或者略大於地球，但在行星達到海王星大小之前，行星大小有一個陡峭的截止點。芝加哥大學的行星科學家埃德溫·凱特說：這是數據中的懸崖邊緣，而且相當戲劇性，我們一直在困惑的是，為什麼超過地球三倍大小的行星往往會停止生長。在新發表在《天體物理學》期刊上的一篇研究論文中，凱特和華盛頓大學、史丹福大學和賓夕法尼亞州立大學的同事們，為這種下降提供了一個創新的解釋：

一旦行星達到地球的三倍大小，這些行星表面的巖漿海洋就很容易吸收大氣層。答案可能取決於此類系外行星鮮有研究的一面，大多數略小於落差大小的行星表面都有巖漿海洋，就像曾經覆蓋地球的熔巖海洋。但它們並沒有像地球那樣凝固，而是被一層厚厚的富氫大氣所保持著溫度。到目前為止，幾乎所有的模型都忽略了這種巖漿，把它當做化學惰性對待，但液態巖石几乎像水一樣流暢，非常活潑。

隨著行星獲得更多的氫，海洋是否會開始「吞噬」天空。在這種情況下，隨著行星獲得更多的氣體，它在大氣中堆積，大氣與巖漿相遇的底部壓力開始建立。起初，巖漿以穩定的速度吸收氣體，但隨著壓力的增加，氫開始更容易溶解到巖漿中。不僅如此，留在大氣中的少量添加氣體還會提高大氣壓力，因此更大比例較晚到達的氣體會溶解到巖漿中，因此，行星的增長在它達到海王星大小之前就停止了。

因為這些行星的大部分體積都在大氣層中，所以大氣層的縮小會導致行星的收縮。研究人員稱這為「逸度危機」，這個術語衡量的是一種氣體，比基於壓力的預期，更容易溶解到混合物中的程度。這一理論與現有的觀察結果非常吻合，未來天文學家還可以尋找幾個標誌物。例如，如果理論是正確的，具有足夠冷的巖漿海洋的行星表面已經結晶，應該表現出不同的輪廓，因為這將阻止海洋吸收如此多的氫。

博科園｜研究/來自：芝加哥大學

參考期刊《天體物理學》

DOI: 10.3847/2041-8213/ab59d9

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