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為什么木星會那么大?原因就是:它撿了一個“大便宜”

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在太陽系八大行星中,木星堪稱是“行星之王”,其巨大的質量,相當其他七顆行星總質量的大約2.5倍,為什么木星會那么大呢?原因簡單來講就是:在太陽系形成之初,它撿了一個“大便宜”。



根據科學界的主流觀點,太陽系誕生于一片巨大的分子云,這被稱為“太陽星云”,在大約46億年前,某種外力的擾動(可能是鄰近的超新星爆發)破壞了其內部的引力平衡。

在此之后,“太陽星云”就開始發生引力坍縮,星云中的物質不斷地向其引力中心聚集,隨著這個過程的持續,其中心的密度和溫度也越來越高,最終點燃了核聚變,于是一顆全新的恒星——我們的太陽——就這樣誕生了。



太陽的誕生消耗了星云里絕大部分的物質,但不是全部,而剩下的“邊角料”則在引力的作用下,圍繞著新生的太陽旋轉,形成了一個扁平的盤狀結構。

這種被稱為“原行星盤”的結構,其實就是孕育出太陽系八大行星的溫床,簡單來講,其中的物質會不斷地“合并”,像滾雪球一樣越來越大,最終形成了行星。



按照常理來講,這個“原行星盤”的物質分布,應該是越靠近中心的太陽越密集才對。所以離太陽更近的內側區域,物質密度應該更大,進而能滾出更大的“雪球”,形成更大的行星。

可現實呢?恰恰相反。太陽系內側的四顆行星都是“小個子”,而外圈的幾顆行星卻是“大個子”。為什么會這樣呢?要理解這個問題,我們得先了解一下在“原行星盤”里,物質是怎么“合并”在一起的。

正如前文所言,行星的形成就像滾雪球。其過程簡單來講就是,先是微小的固體物質通過碰撞和靜電吸引彼此,變成一小團,小團再粘上其他的小團,慢慢變大,當質量增加到一定程度時,就可以通過引力吸積周圍的物質,直到最終形成行星。



也就是說,固體物質是行星形成之初的重要材料,固體物質越多,行星的形成效率就越高,然而在“原行星盤”的內側區域,很多物質都無法保持固態,原因就是,由于距離較近,太陽釋放出的熱量足以讓這里的水、氨、甲烷等等揮發性物質都變成氣體。

而在這里能夠保持固態的,只有那些熔點更高的“硬骨頭”,比如硅酸鹽、鐵、鎳等,為方便描述,我們可以將它們稱為巖石和金屬,這些物質在整個“太陽星云”里,含量其實非常稀少,大概只占了總質量的0.5%左右。

更糟糕的是,年輕的太陽還會吹出強大的“太陽風”,也就是高速的帶電粒子流,它們會不斷地把“原行星盤”內側的那些氣體物質向外“吹”。



所以形成于“原行星盤”內側的行星就面臨著一個尷尬的處境:能用來“滾雪球”的固體材料本來就少得可憐,而大量的氣體材料又被“太陽風”無情地吹走。在這樣的情況下,它們自然就長不了多大,最終只能形成我們今天看到的這幾顆“小個子”行星。

現在,讓我們把視線從向外移動。隨著距離太陽越來越遠,溫度也會逐漸下降,當遠到一定距離時,那些被太陽烘烤成氣體的揮發性物質,就會重新凝結成固體的冰晶。這種“剛好能讓揮發性物質凝結成固體”的溫度邊限,就被稱為“凍結線”(frost line)。



由于“太陽星云”中的揮發性物質主要由氫、氧、碳、氮等元素組成,而這些元素的總量遠高于構成巖石和金屬的元素,因此在“凍結線”的外側邊緣,除了那點巖石和金屬外,還多出了數量龐大的、由揮發性物質凝結而成的固體冰晶。

所以我們不難想象,如果有一顆行星正好在“凍結線”的外側邊緣形成,那它就撿了一個“大便宜”,因為在這里,它不僅擁有“本地”豐富的固體物質,還把這些從內側長途跋涉而來的“外地物資”也一并笑納了。



由于不同物質的凝固點也不一樣,因此“凍結線”其實是一個距離范圍。根據科學家的推測,“凍結線”的范圍大約是距離太陽4至5個天文單位,而木星正是形成于“凍結線”的外側邊緣,這也就意味著,撿到這個“大便宜”的,正是木星。

正是因為如此,在太陽形成后的大約300萬年時間里,原始的木星就迅速成長為一個質量高達地球10到15倍的龐然大物,在此之后,木星就正式走上了它的“王者之路”,因為此時它的引力,已經強大到足以始捕捉并束縛氫和氦,而在“太陽星云”中,氫和氦占據了總質量的大約98%。

這一下,木星的成長模式徹底改變了,它進入了一個被稱為“失控氣體吸積”的瘋狂階段。



其過程可以簡單地描述為:原始的木星不斷吸積氫和氦,質量隨之增加,引力也變得更強;更強的引力又使它能夠更高效、更迅速地從周圍環境中吸積更多的氫和氦,質量進一步增加,引力進一步增強……如此循環往復,形成了一個正反饋的“失控”過程。

此時的木星,就像一臺宇宙級的超級吸塵器,瘋狂地吞噬著周圍的氣體,而在太陽風的推動下,太陽系內側的大量氫氣和氦氣還在持續向外擴散,為木星提供了源源不斷的原料……



這樣的情況就使得木星的質量迅速增加,根據科學家的推測,木星可能僅用了幾百萬年,便積累了其絕大部分的質量,成為了我們今天所見的這顆龐大的氣態巨行星。

當然,木星的“胃口”再大,也不可能把“凍結線”以外的所有物質都“吃干抹凈”,在它更外側的軌道上,土星、天王星和海王星也同樣受益于“凍結線”的饋贈,它們也各自形成了一個比地球大得多的核心,然后,它們也開始吸積氫和氦,成長為巨行星。



只不過,它們沒有木星那么幸運。一方面,它們距離太陽更遠,那里的物質本身就更稀薄一些,“原材料”的供應不如木星的“地盤”那么充足,另一方面,木星這個“大哥”實在是太霸道了,它已經搶先一步,把大部分從“原行星盤”內側擴散出來的,以及它軌道附近物質席卷一空。

所以,土星雖然也成了一個龐大的氣態巨行星,但質量還是比木星小了很多,而更遠的天王星和海王星,它們能分到的“殘羹”就更少了,它們的核心雖然也很大,但捕獲的氫和氦相對較少,所以它們的體型更小一些,由于其冰晶的成分(如水、氨、甲烷)比例更高,因此它們也被稱為“冰巨星”。

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