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海王星會變成超級地球嗎?

2024-08-02科學

一顆海王星大小的行星高懸星空,日以繼夜地「吞雲吐霧」,直到「日漸消瘦」、面目全非……一群好奇的天文學家擠在美國夏威夷的凱克望遠鏡前,目睹了位於距地球103光年之外這場行星「瘦身」的奇觀。

身不由己的「瘦身」

為了區分體型不同的行星,天文學家將半徑稍大於地球乃至於約為1.6倍地球半徑的行星稱為「超級地球」;而半徑為地球半徑2倍到4倍的行星則被稱為「迷你海王星」,在天文學家發現的數千顆系外行星中,這種級別的行星很罕見。這顆正在「瘦身」的行星被稱為TOI 560.01,是一顆迷你海王星,天文學家發現它時,它已經快瘦身成超級地球了。

中心恒星每時每刻都發射著強烈的射線,將行星大氣剝離本體,占為己有。

好端端地,TOI 560.01為何要「瘦身」呢?天文學家猜想,也許這場「瘦身」並不是TOI 560.01主動發起的,它也是迫於無奈。由於行星的外部「群狼環伺」,它們對行星的外圍瓦斯虎視眈眈,時時想將之奪走,其中最強大的力量當屬中心恒星。中心恒星每時每刻都發射著強烈的X射線跟紫外線,這些射線來到行星,將行星大氣剝離本體,再占為己有。天文學家觀察了TOI 560.01的「瘦身」過程,看到了其大氣中的氦分子正以每秒20千米的速度飄向恒星。科學家將這一過程稱為「光致蒸發」,根據行星體型和距中心恒星的距離差異,迷你海王星透過光致蒸發「瘦身」成超級地球需要一億年到數十億年不等的時間。

當然了,除了中心恒星外,還有一些力量會剝離行星大氣,比如「太空車禍」。隕石的撞擊會給巖石質行星留下永久的傷痕,同時還會撞走行星大量的大氣,這可比光致蒸發帶走的大氣要多得多,因此行星瘦身的速度也更快,估計只需要一千萬到一億年。當然,這一機制中逃逸的大氣就不一定飄向恒星了,比如美國哈柏望遠鏡觀測到的距離地球73光年的迷你海王星HD 63433c,它大氣中的氫分子正以每秒50千米的速度四散逃逸。

從迷你海王星的「瘦身」過程中,天文學家終於知道為何1.6倍至2倍地球半徑的行星很少了,因為「瘦身」一旦開始就不受行星控制了,直到行星大氣被徹底剝離,只剩下其巖石內核,減無可減之後行星才能安穩下來。「瘦身」結束後,迷你海王星就變成了超級地球,這樣,處於中間地帶的行星就數量稀少了。

海王星會變成超級地球嗎?

太陽系中海王星的半徑為地球半徑的3.9倍,正處於「迷你海王星」的範疇,那麽海王星會像我們觀察到的系外行星那樣瘦身成「超級地球」嗎?光從行星體型來看,海王星是有可能「瘦身」的。但是,由於海王星距離太陽很遠,離太陽系邊界也有一定距離,它受到恒星的放射線很少,因此海王星「瘦身」成功需要的時間也許遠在數十億年之上。

不過,如果到那時,地球人還幸存著,瘦下來的海王星也許能成為人類的下一個家園。海王星之所以無法孕育生命,主要原因是海王星距離太陽過遠,地表平均氣溫常年都在零度以下,以至於液態水都凍成了冰,生物自然無法生存。數十億年之後,這種情況很可能會發生改變。天文學家估計,太陽會在50億年之後步入晚年乃至死亡,衰老的太陽體積會膨脹得比現在大很多,大到足以將距離最近的金星、水星吞噬掉,地球和火星也會炎熱到生物無法生存的地步,而對遠方的海王星來說,也許那時的太陽發出的熱量卻是恰到好處。

雖然太陽進入了衰老期,但還能維持一段相當長的發光發熱期。太陽氦核外圈的氫燃料耗盡後,開始進入塌縮過程,產生大量熱量並最終抵達足夠高的臨界溫度,從而開啟另一個核融合機制——氦融合。在接下來的大約20億年內,太陽將借助氦融合維持發光發熱,在此過程中產生的「灰燼」則是碳和少量的氧。當氦也消耗殆盡後,塌縮過程將再次啟動,太陽核心將收縮成為一顆白矮星。由於白矮星的發熱機制是收縮產熱而不是核融合,因此一開始太陽的溫度會很高,表面溫度可以達到2.8萬攝氏度左右,其熱量能夠讓海王星上的冰層融化,進而有大量的液態水出現。

即使是迷你海王星,也比地球大很多

此外,變大的太陽還會帶來一個額外的好處,那就是剝離海王星大氣,加速其「瘦身」。海王星具有厚重的大氣層,其高層大氣與底層大氣的溫度差和壓力差很大,這種差異會導致其大氣層裏存在著強烈的熱對流現象,很容易形成強大的風暴。而且,海王星表面幾乎不存在固體物質,大氣風暴不會受到任何阻力,以至於風暴持續壯大,甚至形成太陽系中最厲害的風暴。體積變大的太陽放射線出的X射線跟紫外線能到達更遠的地方,對海王星大氣的吸重力變大,能夠更快速地削薄海王星大氣層甚至將其剝離,使海王星核心的巖石內核裸露出來,成為一顆更適宜居住的「超級地球」。

因此,在未來太陽進入老年時,剝離了厚重大氣層成功「瘦身」、處於合適軌域且有液態水的海王星很可能會成為人類的備選家園。