受限于物理法则,各类性质行星大小都有限制

到目前为止,已确认的系外行星数量超过4,000颗,有些行星同时环绕多颗恒星公转;有些行星非常靠近母恒星,公转一圈仅需数天,不像地球公转长达365.25天;有些行星轨道极为椭圆,不像地球轨道很接近圆形。所以行星的特性和所在位置并不单一,而是有许多可能性。然而谈到行星大小,尤其是质量和半径,其实是有限制的;而这限制,跟物理性有关。

美国西南研究所(Southwest Research Institute)Natalie Hinkel试图从行星和母恒星之间的化学关联性,以及不同大小的行星可能有的内部结构和含有矿物等,来探讨是什么让行星支持生命存在。

从原行星盘开始发展的行星家谱手绘图。(Source:NASA)

岩质行星vs. 气体行星

太阳系行星分成两大类:体积质量小、岩质且密度大的类地行星,体积质量大且为气体的类木行星。迄今侦测到的行星大都落在这两类。但事实上,从克卜勒任务(Kepler mission)和凌日系外行星系统卫星(Transiting Exoplanet System Satellite,TESS)等系外行星搜索任务的观测数据来看,以行星大小排序时,所谓的“超级地球”(super-Earth)处有个没填满的空隙。超级地球指半径约地球1.5~2倍,质量约地球5~10倍的系外行星。为什么超级地球数量少?为什么天文学家只看得到小型岩质行星和巨大的气体行星?

两类行星之间的差异,以及超级地球空隙的出现,都与行星大气有关,特别是行星形成的时候。当恒星诞生,汇聚成巨大气体球,开始旋转、向内塌缩,最后在核心点燃核融合反应成为正式的恒星,这个过程并不完美。恒星形成后,还残留着大量多余气体、尘埃和岩石,这些残余物质继续绕恒星旋转,直到在恒星周围形成扁平、环状的拱星盘。盘内尘粒彼此碰撞黏合形成小石块,小石块也可能彼此碰撞增长为更大的砾石,过程持续直到增长为行星。当行星体积增长时,质量和重力也随之增加,不仅能从累计尘埃和岩石增长,还能积聚气体,最后形成大气层。

拱星盘有大量气体,和恒星及宇宙诞生之初一样主要组成都是氢和氦,但岩石物质就明显少多了,原因在于恒星形成之际就没有多少岩石物质。

已确认的超级地球与地球体积比较图。(Source:NASA)

超级地球缺失问题

如果行星维持体积偏小状态,即半径小于1.5倍地球半径时,重力不足以掌控像木星或海王星那样的庞大大气层,但如果再长大一点,能捕获的气体就会越来越多而形成大气层,且半径可能增加至海王星(约4倍地球半径),甚至超过木星(约11倍地球半径)。因此,行星可以是小型岩质行星,也可能是大型气体行星。

按理来说也能形成介于中间的超级地球,但其实很困难,因为一旦质量大到足以开始重力累计时,就如同雪崩停不下来,只有在某种特别环境才能停止气体持续往行星累计而成为超级地球。这种状况有时称为“不稳定平衡”(unstable equilibrium),只要天体位置稍微移动,或只要多累计一点气体,就会打破平衡状态,持续往气体巨行星发展。这种状况造成超级地球的数量不会太多,成为前述超级地球空白的现象。

另一个要考虑的因素是一旦行星形成,并不会一直待在同样轨道。当行星向母恒星的方向迁移时,大气被加热,导致原子和分子移动非常快而脱离行星重力掌控,有些小型岩质行星其实是大一点的行星大气被剥夺后残存的核心部位。所以不会有巨型岩质行星,也不会有小型气体行星出现。不过虽然如此,行星彼此间的大小、几何形状和组成成分的差异还是很大。