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海王星会变成超级地球吗?

2024-08-02科学

一颗海王星大小的行星高悬星空,日以继夜地「吞云吐雾」,直到「日渐消瘦」、面目全非……一群好奇的天文学家挤在美国夏威夷的凯克望远镜前,目睹了位于距地球103光年之外这场行星「瘦身」的奇观。

身不由己的「瘦身」

为了区分体型不同的行星,天文学家将半径稍大于地球乃至于约为1.6倍地球半径的行星称为「超级地球」;而半径为地球半径2倍到4倍的行星则被称为「迷你海王星」,在天文学家发现的数千颗系外行星中,这种级别的行星很罕见。这颗正在「瘦身」的行星被称为TOI 560.01,是一颗迷你海王星,天文学家发现它时,它已经快瘦身成超级地球了。

中心恒星每时每刻都发射着强烈的射线,将行星大气剥离本体,占为己有。

好端端地,TOI 560.01为何要「瘦身」呢?天文学家猜想,也许这场「瘦身」并不是TOI 560.01主动发起的,它也是迫于无奈。由于行星的外部「群狼环伺」,它们对行星的外围气体虎视眈眈,时时想将之夺走,其中最强大的力量当属中心恒星。中心恒星每时每刻都发射着强烈的X射线跟紫外线,这些射线来到行星,将行星大气剥离本体,再占为己有。天文学家观察了TOI 560.01的「瘦身」过程,看到了其大气中的氦分子正以每秒20千米的速度飘向恒星。科学家将这一过程称为「光致蒸发」,根据行星体型和距中心恒星的距离差异,迷你海王星通过光致蒸发「瘦身」成超级地球需要一亿年到数十亿年不等的时间。

当然了,除了中心恒星外,还有一些力量会剥离行星大气,比如「太空车祸」。陨石的撞击会给岩石质行星留下永久的伤痕,同时还会撞走行星大量的大气,这可比光致蒸发带走的大气要多得多,因此行星瘦身的速度也更快,估计只需要一千万到一亿年。当然,这一机制中逃逸的大气就不一定飘向恒星了,比如美国哈勃望远镜观测到的距离地球73光年的迷你海王星HD 63433c,它大气中的氢分子正以每秒50千米的速度四散逃逸。

从迷你海王星的「瘦身」过程中,天文学家终于知道为何1.6倍至2倍地球半径的行星很少了,因为「瘦身」一旦开始就不受行星控制了,直到行星大气被彻底剥离,只剩下其岩石内核,减无可减之后行星才能安稳下来。「瘦身」结束后,迷你海王星就变成了超级地球,这样,处于中间地带的行星就数量稀少了。

海王星会变成超级地球吗?

太阳系中海王星的半径为地球半径的3.9倍,正处于「迷你海王星」的范畴,那么海王星会像我们观察到的系外行星那样瘦身成「超级地球」吗?光从行星体型来看,海王星是有可能「瘦身」的。但是,由于海王星距离太阳很远,离太阳系边界也有一定距离,它受到恒星的辐射很少,因此海王星「瘦身」成功需要的时间也许远在数十亿年之上。

不过,如果到那时,地球人还幸存着,瘦下来的海王星也许能成为人类的下一个家园。海王星之所以无法孕育生命,主要原因是海王星距离太阳过远,地表平均气温常年都在零度以下,以至于液态水都冻成了冰,生物自然无法生存。数十亿年之后,这种情况很可能会发生改变。天文学家估计,太阳会在50亿年之后步入晚年乃至死亡,衰老的太阳体积会膨胀得比现在大很多,大到足以将距离最近的金星、水星吞噬掉,地球和火星也会炎热到生物无法生存的地步,而对远方的海王星来说,也许那时的太阳发出的热量却是恰到好处。

虽然太阳进入了衰老期,但还能维持一段相当长的发光发热期。太阳氦核外圈的氢燃料耗尽后,开始进入塌缩过程,产生大量热量并最终抵达足够高的临界温度,从而开启另一个核聚变机制——氦聚变。在接下来的大约20亿年内,太阳将借助氦聚变维持发光发热,在此过程中产生的「灰烬」则是碳和少量的氧。当氦也消耗殆尽后,塌缩过程将再次启动,太阳核心将收缩成为一颗白矮星。由于白矮星的发热机制是收缩产热而不是核聚变,因此一开始太阳的温度会很高,表面温度可以达到2.8万摄氏度左右,其热量能够让海王星上的冰层融化,进而有大量的液态水出现。

即使是迷你海王星,也比地球大很多

此外,变大的太阳还会带来一个额外的好处,那就是剥离海王星大气,加速其「瘦身」。海王星具有厚重的大气层,其高层大气与底层大气的温度差和压强差很大,这种差异会导致其大气层里存在着强烈的热对流现象,很容易形成强大的风暴。而且,海王星表面几乎不存在固体物质,大气风暴不会受到任何阻力,以至于风暴持续壮大,甚至形成太阳系中最厉害的风暴。体积变大的太阳辐射出的X射线跟紫外线能到达更远的地方,对海王星大气的吸引力变大,能够更快速地削薄海王星大气层甚至将其剥离,使海王星核心的岩石内核裸露出来,成为一颗更适宜居住的「超级地球」。

因此,在未来太阳进入老年时,剥离了厚重大气层成功「瘦身」、处于合适轨道且有液态水的海王星很可能会成为人类的备选家园。