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[百家杂谈] 木卫一为什么会拥有类地行星的内部结构?

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发表于 2022-1-12 02:46 PM | 显示全部楼层 |阅读模式


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木卫一为什么会拥有类地行星的内部结构?

作者 / 昙花再现

先简要回答问题,后面再做详细分析。

简答

木卫一之所以结构类似类地行星,是因为在木星形成过程中,木星所吸积的物质的重力势能释放产生高温,热辐射将木卫一轨道附近的冰物质(水、甲烷、氨)气化,导致木卫一尽管处于太阳系冻结线以外,其形成环境却类似冻结线以内的类地行星——没有固态的冰可吸积,最终成为一颗缺冰的岩石星体。

木卫一会有这样的结局,关键一点在于,它的轨道太过接近木星。木星的另外三颗大卫星则因离木星较远,热辐射造成的温度还不足以熔化冰,因此它们是遵循冻结线外行星演化的标准模式来发展的,最终成为冰卫星。

分析

有一点需要澄清,题主对问题的表述很容易让人产生一个误解,就是以为地球这样的岩石地幔和富铁内核是一种不常见的特殊构造。

事实上,太阳系所有岩石行星、冰巨行星、矮行星以及较大的卫星,都拥有与地球相似的这种外岩石 + 内铁核构造;两颗气态巨行星中,木星从目前的研究来看与前面提到的天体是不太一样的,至于土星,不是非常确定。

只不过除了四颗类地行星、月球和木卫一之外,其它的行星和大型类行星天体,在岩石的外面又穿了一层(冰)或两层(冰 + 氢氦)“衣服”。而类地行星,可以理解为裸奔的行星。

A、在不考虑最外层大气的情况下,这些太阳系天体可以按内部结构分为四类:

①、类地行星、月球、木卫一,以及那些大到可以达成流体静力平衡、球状的小行星带小行星:是由岩石的外层以及富铁的内核组成。所谓岩石是指以硅酸盐为主的各种高熔点化合物,包括但不限于固体形态。

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②、所有矮行星、除月球和木卫一之外的所有大卫星,以及那些大到可以达成流体静力平衡、球状的柯伊伯带小天体:在①的内核外穿了一层冰质“内衣”。所谓冰是指以水、甲烷、氨为主要成分的较低熔点物质,包括但不限于固体形态。这个冰“内衣”的厚度,与天体质量正相关,与天体温度负相关。

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③、天王星、海王星:在②之外又加穿了一层以氢和氦为主要成分的的“外套”。

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④、木星和土星:几乎全部由氢氦“外套”组成的星球,内核只占星球的极小部分。内核可能主要由岩石和铁的混合物组成(比岩石和铁含量更高的冰因其低熔点而熔化并因密度相对岩石和铁较小而融入到了“外套”中)。

在木星和土星形成的早期的某个阶段,其内部也是有一个和地球一样的内核的。但是当它们成长到目前的质量后,发生了一些变化。因其内部的高温,木星的内核不可能是固态的(木星核心区域表面温度约 36000K,内部则更高),土星的内核可能不是固态的(土星核心温度约 12000K,在土星内部压力下,这个温度不太确定是流体还是固体),但它们也绝非液态,而是某种尚未研究清楚的流体(你可以称其为“浆糊”)。内核因为对流的存在,铁和岩石的分层可能不那么明显;另有研究认为,木星的内核可能因太过强烈的对流而消散。

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A 之总结:

内铁外岩石这样的构造,在各种类型的行星上都会出现(或至少出现于其形成早期),非类地行星与类地行星的区别仅仅是在于,非类地行星最外层又覆盖了冰层和氢氦气体层。至于木星和土星,因其内部的高温导致了内核结构的破坏。

B、为什么会有如此差异呢?我们需要了解一下行星(包括矮行星和卫星)的形成过程。

行星和恒星都诞生于星云。要形成星球,首先要在星云中产生一个用以凝聚物质的核心,最初的核心都很小,引力不足以有效约束物质,因此只能靠电磁力来约束——也就是说,这个最初的核心必须是固态的,主要由铁和岩石构成的

固态核心与岩屑盘中的其它固态尘埃、碎屑碰撞,越长越大,而较大的核心的引力也开始起作用,通过吸积获取更多物质,加速其成长过程。

当核心大到到数百公里直径时,因碰撞释放的重力势能会使星球的内部熔融,然后铁和硅酸盐岩石发生重力分化,铁沈在核心而岩石浮在外面。

当核心成长到直径 1000 公里以上时,这个原行星的引力就足够大,可以吸积一些冰了。

但是否真能吸积并保留冰,还取决于原行星所处区域的温度——在冻结线以外的原行星,因为吸积的冰可以冻结成固体得以保留,而冻结线以内的星球,因为温度太高,冰会挥发成气体而逃逸。

太阳系的冻结线在小行星带附近,所以小行星带以内的天体,都没有冰的外壳,只能裸奔。至于地球上少量的水,可能大部分是地球形成之后由彗星带来的。

星云中铁和岩石的含量比冰要少很多,冻结线内的天体因为无法吸积冰,所以都无法成长为巨无霸,像地球这种质量基本上已经接近太阳系内类地行星的极限(至于其它星系发现的比地球大很多倍的岩石行星,有其形成环境的特殊原因,在此不作讨论)。

冻结线之外的星球的成长环境则要好得多,因为有比岩石和铁更多的冰可以参与形成行星。所以我们看到太阳系内的巨行星都在冻结线以外。当一颗冻结线外星球通过吸积冰,质量大到相当于大约七八倍地球质量时,它甚至能吸积氢气和氦气,而星云中氢和氦比其它所有物质都要多两个数量级以上,因此有条件吸积氢氦的行星将有机会大得变态。

虽然冻结线外的星球有能力吸积冰,但这并不意味着它们就一定能吸积到很多冰。我们知道,一个星球越大,引力越强,它吸引周边物质的能力就越强,那些率先变大的星球会比邻近的小星球更有优势,成长得更快,继而导致优势进一步加大,最后在每一个轨道区域内都出现“寡头统治”:强者越来越强,弱者难以发展,有些甚至被消灭(被强者吸积,或被弹射出去)。

另一方面,即使一个星球有幸成为其轨道附近的寡头,但它如果早期演化不够快的话,它最终能获得的质量也不容乐观。例如天王星和海王星,目前研究的结论是,虽然它们也是各自形成区域内的寡头,但因为(相对于木星和土星)形成较晚,当它们终于成长到有能力吸积氢氦气体时,这时原始太阳星云中的气体已经大部分被太阳风吹散了,所以它们最终没能成长为更大的气巨星。

B 之总结:

1、先由铁和岩石形成固态的凝结核,在此基础上逐渐长大,其间发生重力分化,铁聚集于核心而岩石浮在上层;随着质量的继续增大,原行星将相继获得吸积冰、气体的能力。

2、如果一颗星球形成于冻结线以内,或者像木卫一那样不幸处于某个高温区域,它们的成长将止步于固体(铁和岩石)吸积的阶段,成为一颗岩石星球,没有机会变成更大的冰星球和气态星球。

3、因为“寡头垄断”作用,即使在冻结线以外形成的星球,如果它们不是其附近区域的最大者,它们最终的成长空间也会受到限制,通常会止步于冰星球阶段。

4、最终能成长到获得吸积气体的能力的星球是非常少的,只有那些在冻结线外最早成长起来的寡头,才能成为巨无霸。

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