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構成系外行星的物質是什麼?

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2018年10月10日21時 今日科學 博科園

博科園

烏日茲的研究人員使用統計工具分析了遙遠系外行星的組成和結構。分析表明:一顆行星是類地行星是由純岩石構成,還是由水構成?行星越大,圍繞它的氫和氦就越多。宇宙中還有第二個地球嗎?隨著新技術的發展,人們對太陽系外行星系統的認識也在不斷增加。迄今為止,在太陽系外已經發現了3700顆行星。這些系外行星的行星質量和半徑可以用來推斷它們的平均密度,但不能推斷它們確切的化學成分和結構。因此,關於這些行星可能是什麼樣子的有趣問題仍然懸而未決。

博科園-科學科普:蘇黎世大學計算科學研究所拉維特赫爾教授小組的博士候選人麥可洛佐夫斯基說:理論上可以假設各種成分,例如純水的世界,純岩石的世界,以及具有氫氦大氣的行星,並估計預期的半徑。使用資料庫和統計工具來描述系外行星和它們的大氣層。系外行星很常見,周圍環繞著一層易揮發的氫和氦。然而之前直接測量的數據不能使研究人員確定確切的結構,因為不同的成分可能導致相同的質量和半徑。

有岩石內核和氣態大氣的系外行星的可能模型(藝術印象圖)。圖片:UZH

除了有關質量和半徑數據的準確性外,研究小組還調查了已知3700個行星中有83個的內部結構、溫度和反射輻射,這些行星的質量和半徑都是確定的。使用統計分析來對可能的成分進行限制,通過使用探測到系外行星的資料庫,發現每一個理論行星結構都有一個「閾值半徑」,在這個半徑上沒有這樣的行星存在。氣相層中比氦重的元素數量、氫和氦的比例以及大氣中元素的分布是決定閾值半徑的重要因素。

超級地球和迷你地球

研究人員發現半徑為地球(6371公里)1.4倍的行星可能與地球類似,即組成與地球相似。半徑超過這一閾值的行星中矽酸鹽或其他輕質物質的比例更高。大多數半徑在1.6倍地球半徑以上的行星,除了其岩石內核外,還必須有一層氫氣-氦氣或水,而大於2.6倍地球半徑的行星不可能是水世界,因此可能被大氣層包圍。半徑大於4個地球半徑的行星被認為是非常氣態的,由至少10%的氫和氦組成,類似於天王星和海王星。

有岩石內核和氣態大氣的系外行星的可能模型(藝術印象圖)。圖片:UZH

這項研究的發現為這些行星發展和多樣性提供了新見解,一個特別有趣的閾值是關於大型陸地行星(也被稱為超級地球)和小型氣態行星(也被稱為迷你海王星)之間的區別。據研究人員稱,這個臨界值的半徑是地球三倍。因此在這個閾值以下,就有可能在銀河系廣闊的區域找到類地行星。

博科園-科學科普|研究/來自:蘇黎世大學

參考期刊文獻:《天體物理學》

DOI: 10.3847/1538-4357/aadd09

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