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大质量行星和褐矮星的界线是什么?

时间:2022/5/30 18:12:01 点击:

  核心提示: 什么时候一颗褐矮星根本不是恒星,而仅仅是一个气体巨星?什么时候一个气体巨人不是行星,而是一个天体更类似于棕矮星?这些问题已经困扰了天文学家多年,现已进入了新定义的中心,对太阳系大型天体进行定义。 ...

什么时候一颗褐矮星根本不是恒星,而仅仅是一个气体巨星?什么时候一个气体巨人不是行星,而是一个天体更类似于棕矮星?这些问题已经困扰了天文学家多年,现已进入了新定义的中心,对太阳系大型天体进行定义。

艺术构想展示了被NASA的哈勃和斯皮策太空望远镜观测到的名为2MASSJ22282889-431026的棕矮星。棕矮星比行星更大更热,但缺少成为恒星所需的质量。图片版权:NASA

约翰·霍普金斯大学的一位天文学家认为他有更好的方法来对这些天体进行分类,而不是仅仅基于质量,而是基于对天体的存在情况以及物体是如何形成的。在《天体物理学杂志》上发表的一篇论文中,凯文·施劳夫曼提出了一个新的分类系统,它可以帮助解决一些关于哪个物体是气体行星或褐矮星的争论。质量是这个新定义中易于理解的部分,但它不是唯一的因素。天体如何形成也是关键。

一般来说恒星质量越小温度就越低。虽然比太阳小的恒星仍能维持产生热量的聚变反应,但那些太小的原恒星就不能。这些“失败的”恒星通常被称为褐矮星,一个新的定义将它们的范围从木星质量的10-75倍。这个艺术概念比较了一个棕矮星的大小与地球,木星,一个低质量恒星和太阳的大小。图片版权:NASA/JPL-Caltech/UCB

Schlaufman是约翰霍普金斯大学物理与天文系的助理教授。他为所谓的行星设定了一个极限,这个极限是我们太阳系最大行星木星的4到10倍。在那上面有一颗褐矮星(褐矮星也被称为亚恒星或失败的恒星,因为它们的质量从未足够大到足以成为恒星),行星质量的上边界是缺失的最重要的细节之一。

对其他太阳系的观测的改进导致了这个新的定义。以前我们只有自己的太阳系作为参考,现在可以观察其他的太阳系并提高效率。Schlaufman观察了146个太阳系,这使得他能够填补对褐矮星和行星形成的理解的空白。

木星的图像显示它的风暴系统。根据新的定义,如果木星在形成时的质量超过其质量的10倍,它就会被认为是褐矮星。图片:Gemini

Schlaufman说:虽然认为我们知道行星是如何形成的,但仍有很多细节需要去填补,行星质量的上边界是缺失的最重要的细节之一,回过头来看看褐矮星和气态巨行星是如何相互关联的。太阳系是由气体和尘埃组成的,在太阳系的早期,有一颗或更多的恒星是由引力坍缩形成的。它们与核聚变一起点燃,成为我们在宇宙中随处可见的恒星。剩下的气体和尘埃形成了行星,或者棕矮星。这是太阳系形成的简化版本。

在太阳系里,只有一颗恒星形成——太阳。气态巨行星木星和土星吞噬了大部分剩余的物质。木星吞噬最多份额使它成为最大的行星。但如果条件不同,而木星一直在增长呢?根据Schlaufman的定义,如果它的尺寸保持在现在的10倍以上,那么它就会变成一个棕矮星(但这并不是新定义的终点)。

金属丰度和化学组成

质量只是其中的一部分,新分类背后的真正原因是物体形成的方式,这涉及到恒星中金属的概念。恒星有金属含量,在天体物理学中,这意味着恒星质量的一部分不是氢或氦。所以锂离子的任何元素都被认为是金属。这些金属是岩态行星的形成。早期的宇宙中只有氢和氦,而接下来的两个元素,锂和铍,几乎是微不足道的。因此第一批恒星没有金属含量。

这是M80的图像,一个古老的球状星团。由于这些恒星形成于早期宇宙,它们的金属含量非常低。这就意味着像木星这样的气态巨行星在这里是罕见的或者不存在的,而褐矮星则很可能是大量的。图片版权:NASA, The Hubble Heritage Team, STScI, AURA – Great Images in NASA Description, Public Domain

但是大爆炸之后的135亿年,像我们的太阳这样的年轻恒星拥有更多的金属。这是因为一代又一代的恒星寿命和死亡,并在随后的恒星形成过程中产生了金属。我们的太阳是在大约50亿年前形成的,它具有我们所期待的恒星诞生时的金属性。它仍然以氢和氦为主,但其质量的2%是由其他元素构成的,主要是氧、碳、氖和铁。

这就是Schlaufman研究的切入点,可以分辨出像木星和棕矮星这样的气态巨星,它们的本质是它们所围绕运行的恒星。围绕恒星形成的行星类型反映了恒星自身的金属特性。像木星这样的气态巨行星通常被发现具有与太阳相同或大于太阳的金属元素。但是棕矮星并不挑剔;它们几乎在任何恒星周围形成,这是为什么呢?

棕矮星和行星形态不同

像木星这样的行星是由“增生”形成的,岩态的核心形态,然后气体聚集在它周围,一旦这个过程完成就有了一个天然气态巨星。要做到这一点需要金属。如果金属在这些岩石内核中形成,它们的存在将反映在主恒星的金属上。但是棕矮星并不是像行星那样形成的。形成的方式和恒星一样——引力坍塌,不是从最初的岩心形成的,所以金属性不是一个因素。

这让我们回到Kevin Schlaufman的研究。想要找出一个物体在哪个点上不关心恒星的金属质量。结论是:超过10倍木星质量的天体并不关恒星是否有岩态元素,因为它们不是由岩石内核形成的。因此不是类似于木星的行星,是由引力坍缩形成的棕矮星。

叫什么有名字什么关系?

让我们来看看冥王星的争议,来理解为什么名字很重要。为了精确地分类我们在太空中看到的所有天体的争论正在进行中。谁能忘记可怜的冥王星的困境?2006年国际天文学联合会(IAU)将冥王星降级,并剥夺了它作为行星的长期地位,这是为什么?

因为这个行星的新定义依赖于这三个标准:

1、该行星围绕着一颗恒星运行。

2、该行星必须有足够的质量来假设流体静力平衡(近似圆形)

3、该行星能已经清除了它周围的轨道

天文学家用更好的望远镜观察冥王星的次数越多,就越意识到它不符合第三个标准,所以它被降级为矮行星,所以很对不起冥王星啊。

冥王星被重新划分为矮行星,这是基于我们对其性质的日益了解。Schlaufman的新研究能帮助更准确地区分气态巨行星和棕矮星吗?2015年7月14日美国宇航局的“新视野号”探测器捕捉到了冥王星的高分辨率彩色图像。图片版权:NASA/JHUAPL/SwRI

对天文物体的命名规则很重要,因为它们帮助人们理解所有事物是如何结合在一起的。但是有时候关于名字的争论会让人感到厌烦。尽管冥王星的争论越来越无聊,但它仍然很重要。需要某种方式来理解是什么使对象不同,而名称反映了不同。这些名字必须反映一些基本的问题。冥王星真的应该被认为是和木星等一样的天体吗?这两颗行星都是同一意义上的行星吗?

同样的原理也适用于棕矮星和气态巨行星。仅仅根据它们的质量给它们命名并不能告诉我们多少,Schlaufman的目标是改变这种状况。新定义是有意义的,因为它依赖于这些物体的形状和位置,而不仅仅是它们的大小(当然并非所有人都会同意)。

作者:不详 来源:网络
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