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為什么木星會(huì)那么大?原因就是:它撿了一個(gè)“大便宜”

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在太陽(yáng)系八大行星中,木星堪稱是“行星之王”,其巨大的質(zhì)量,相當(dāng)其他七顆行星總質(zhì)量的大約2.5倍,為什么木星會(huì)那么大呢?原因簡(jiǎn)單來(lái)講就是:在太陽(yáng)系形成之初,它撿了一個(gè)“大便宜”。



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

在此之后,“太陽(yáng)星云”就開(kāi)始發(fā)生引力坍縮,星云中的物質(zhì)不斷地向其引力中心聚集,隨著這個(gè)過(guò)程的持續(xù),其中心的密度和溫度也越來(lái)越高,最終點(diǎn)燃了核聚變,于是一顆全新的恒星——我們的太陽(yáng)——就這樣誕生了。



太陽(yáng)的誕生消耗了星云里絕大部分的物質(zhì),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(yáng)旋轉(zhuǎn),形成了一個(gè)扁平的盤狀結(jié)構(gòu)。

這種被稱為“原行星盤”的結(jié)構(gòu),其實(shí)就是孕育出太陽(yáng)系八大行星的溫床,簡(jiǎn)單來(lái)講,其中的物質(zhì)會(huì)不斷地“合并”,像滾雪球一樣越來(lái)越大,最終形成了行星。



按照常理來(lái)講,這個(gè)“原行星盤”的物質(zhì)分布,應(yīng)該是越靠近中心的太陽(yáng)越密集才對(duì)。所以離太陽(yáng)更近的內(nèi)側(cè)區(qū)域,物質(zhì)密度應(yīng)該更大,進(jìn)而能滾出更大的“雪球”,形成更大的行星。

可現(xiàn)實(shí)呢?恰恰相反。太陽(yáng)系內(nèi)側(cè)的四顆行星都是“小個(gè)子”,而外圈的幾顆行星卻是“大個(gè)子”。為什么會(huì)這樣呢?要理解這個(gè)問(wèn)題,我們得先了解一下在“原行星盤”里,物質(zhì)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(guò)程簡(jiǎn)單來(lái)講就是,先是微小的固體物質(zhì)通過(guò)碰撞和靜電吸引彼此,變成一小團(tuán),小團(tuán)再粘上其他的小團(tuán),慢慢變大,當(dāng)質(zhì)量增加到一定程度時(shí),就可以通過(guò)引力吸積周圍的物質(zhì),直到最終形成行星。



也就是說(shuō),固體物質(zhì)是行星形成之初的重要材料,固體物質(zhì)越多,行星的形成效率就越高,然而在“原行星盤”的內(nèi)側(cè)區(qū)域,很多物質(zhì)都無(wú)法保持固態(tài),原因就是,由于距離較近,太陽(yáng)釋放出的熱量足以讓這里的水、氨、甲烷等等揮發(fā)性物質(zhì)都變成氣體。

而在這里能夠保持固態(tài)的,只有那些熔點(diǎn)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(zhì)在整個(gè)“太陽(yáng)星云”里,含量其實(shí)非常稀少,大概只占了總質(zhì)量的0.5%左右。

更糟糕的是,年輕的太陽(yáng)還會(huì)吹出強(qiáng)大的“太陽(yáng)風(fēng)”,也就是高速的帶電粒子流,它們會(huì)不斷地把“原行星盤”內(nèi)側(cè)的那些氣體物質(zhì)向外“吹”。



所以形成于“原行星盤”內(nèi)側(cè)的行星就面臨著一個(gè)尷尬的處境:能用來(lái)“滾雪球”的固體材料本來(lái)就少得可憐,而大量的氣體材料又被“太陽(yáng)風(fēng)”無(wú)情地吹走。在這樣的情況下,它們自然就長(zhǎng)不了多大,最終只能形成我們今天看到的這幾顆“小個(gè)子”行星。

現(xiàn)在,讓我們把視線從向外移動(dòng)。隨著距離太陽(yáng)越來(lái)越遠(yuǎn),溫度也會(huì)逐漸下降,當(dāng)遠(yuǎn)到一定距離時(shí),那些被太陽(yáng)烘烤成氣體的揮發(fā)性物質(zhì),就會(huì)重新凝結(jié)成固體的冰晶。這種“剛好能讓揮發(fā)性物質(zhì)凝結(jié)成固體”的溫度邊限,就被稱為“凍結(jié)線”(frost line)。



由于“太陽(yáng)星云”中的揮發(fā)性物質(zhì)主要由氫、氧、碳、氮等元素組成,而這些元素的總量遠(yuǎn)高于構(gòu)成巖石和金屬的元素,因此在“凍結(jié)線”的外側(cè)邊緣,除了那點(diǎn)巖石和金屬外,還多出了數(shù)量龐大的、由揮發(fā)性物質(zhì)凝結(jié)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(jié)線”的外側(cè)邊緣形成,那它就撿了一個(gè)“大便宜”,因?yàn)樵谶@里,它不僅擁有“本地”豐富的固體物質(zhì),還把這些從內(nèi)側(cè)長(zhǎng)途跋涉而來(lái)的“外地物資”也一并笑納了。



由于不同物質(zhì)的凝固點(diǎn)也不一樣,因此“凍結(jié)線”其實(shí)是一個(gè)距離范圍。根據(jù)科學(xué)家的推測(cè),“凍結(jié)線”的范圍大約是距離太陽(yáng)4至5個(gè)天文單位,而木星正是形成于“凍結(jié)線”的外側(cè)邊緣,這也就意味著,撿到這個(gè)“大便宜”的,正是木星。

正是因?yàn)槿绱耍谔?yáng)形成后的大約300萬(wàn)年時(shí)間里,原始的木星就迅速成長(zhǎng)為一個(gè)質(zhì)量高達(dá)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?yàn)榇藭r(shí)它的引力,已經(jīng)強(qiáng)大到足以始捕捉并束縛氫和氦,而在“太陽(yáng)星云”中,氫和氦占據(jù)了總質(zhì)量的大約98%。

這一下,木星的成長(zhǎng)模式徹底改變了,它進(jìn)入了一個(gè)被稱為“失控氣體吸積”的瘋狂階段。



其過(guò)程可以簡(jiǎn)單地描述為:原始的木星不斷吸積氫和氦,質(zhì)量隨之增加,引力也變得更強(qiáng);更強(qiáng)的引力又使它能夠更高效、更迅速地從周圍環(huán)境中吸積更多的氫和氦,質(zhì)量進(jìn)一步增加,引力進(jìn)一步增強(qiáng)……如此循環(huán)往復(fù),形成了一個(gè)正反饋的“失控”過(guò)程。

此時(shí)的木星,就像一臺(tái)宇宙級(jí)的超級(jí)吸塵器,瘋狂地吞噬著周圍的氣體,而在太陽(yáng)風(fēng)的推動(dòng)下,太陽(yáng)系內(nèi)側(cè)的大量氫氣和氦氣還在持續(xù)向外擴(kuò)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(zhì)量迅速增加,根據(jù)科學(xué)家的推測(cè),木星可能僅用了幾百萬(wàn)年,便積累了其絕大部分的質(zhì)量,成為了我們今天所見(jiàn)的這顆龐大的氣態(tài)巨行星。

當(dāng)然,木星的“胃口”再大,也不可能把“凍結(jié)線”以外的所有物質(zhì)都“吃干抹凈”,在它更外側(cè)的軌道上,土星、天王星和海王星也同樣受益于“凍結(jié)線”的饋贈(zèng),它們也各自形成了一個(gè)比地球大得多的核心,然后,它們也開(kāi)始吸積氫和氦,成長(zhǎng)為巨行星。



只不過(guò),它們沒(méi)有木星那么幸運(yùn)。一方面,它們距離太陽(yáng)更遠(yuǎn),那里的物質(zhì)本身就更稀薄一些,“原材料”的供應(yīng)不如木星的“地盤”那么充足,另一方面,木星這個(gè)“大哥”實(shí)在是太霸道了,它已經(jīng)搶先一步,把大部分從“原行星盤”內(nèi)側(cè)擴(kuò)散出來(lái)的,以及它軌道附近物質(zhì)席卷一空。

所以,土星雖然也成了一個(gè)龐大的氣態(tài)巨行星,但質(zhì)量還是比木星小了很多,而更遠(yuǎn)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(duì)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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