行星能有多大？

雨彤

2017年6月，美國哥倫比亞大學(xué)的研究人員宣布，他們發(fā)現(xiàn)一顆大約是地球質(zhì)量3000倍的系外行星！這顆行星大得超乎想象，快超出了人們對于天體大小的認知極限，它也使得科學(xué)家們開始考慮，在宇宙中最大的行星會有多大？

實際上，這個問題有兩個答案，因為這里的“大”有兩重含義，質(zhì)量大或者體積大。

行星質(zhì)量的極限有多大？

我們不妨先討論下最大質(zhì)量的行星會有多大。一般來說，行星指的是那些不需要核聚變的天體。在太陽系內(nèi)，木星是太陽系中最大的行星，它的體積超過地球的1000倍，質(zhì)量超過太陽系中其他八顆行星質(zhì)量的總和。而如果一顆行星的質(zhì)量達到地球質(zhì)量的4000倍（或木星質(zhì)量的13倍），其核心產(chǎn)生的熱量和壓力足以引發(fā)氘（氫的一種同位素）的聚變反應(yīng)，這個行星會被視為褐矮星，而不能再稱作行星。

那么，這么說來，最重的行星只能是木星質(zhì)量的13倍？實際上，一個星球是否會發(fā)生核聚變反應(yīng)，不僅僅取決于其質(zhì)量，還與這個星球的內(nèi)部構(gòu)成元素有關(guān)，假如這個星球沒有氫元素、氦元素的話，那么就不太容易引發(fā)內(nèi)部核聚變反應(yīng)。美國普林斯頓大學(xué)和亞利桑那大學(xué)的研究者最新的研究表明，無論行星由什么樣的元素構(gòu)成，最大的行星質(zhì)量只能是木星質(zhì)量的16倍。任何一個行星，如果質(zhì)量比這一臨界值大，那么它將會發(fā)生核聚變反應(yīng)，成為一顆恒星。

行星體積的極限有多大？

那么，一個行星的最大體積能有多大呢？科學(xué)家們認為它也只能有木星那么大。

如果你仔細觀察，就會發(fā)現(xiàn)即使褐矮星比木星重很多倍，其直徑幾乎和木星直徑差不多，這些天體的直徑與木星直徑大小相差范圍只有約15%。拿Trappist-1A來說，這是一顆表面溫度極低的紅矮星，只有太陽1/2000的亮度，但它是真正的恒星，它有穩(wěn)定的、持續(xù)的核聚變反應(yīng)，這一反應(yīng)將會持續(xù)1萬億年甚至更長時間。Trappist-1A的質(zhì)量是木星的80倍，但直徑比木星只大了約1/10。由于其質(zhì)量大，但體積并不大，所以這顆小恒星有非常高的密度，Trappist-1A的密度大約是木星的60倍，是花崗巖密度的25倍，比鉛密度大6倍。更極端的例子是紅矮星EBLM j055-57ab，這顆恒星直徑比木星小15%，大約是土星的大小，但其密度是鉛的17倍，是水的密度的188倍。

所以，研究者認為木星的直徑可能已經(jīng)接近行星直徑的上限。當(dāng)行星質(zhì)量很大時，它們的體積就不會變得更大，它們只會在密度上增加，直到最終可以產(chǎn)生核聚變反應(yīng)，這個時候它們也不再是行星了。

當(dāng)然事情總會有些例外。有些行星運行軌道距離恒星非常近，表面溫度會非常高，體積會膨脹得異常大。比如，KELT-11b就是一顆高膨脹系外行星，它跟木星一樣，是一顆超級氣態(tài)行星，但體積大于木星，半徑大約是木星的1.37倍，質(zhì)量又僅有木星的20%。在距離地球大約335光年外還有一顆HD 100546 bn行星，其直徑大約是木星的7倍，這也使得它成為已知最大的行星。不過也有一些人認為這顆行星周圍仍然被大量的塵埃和氣體所包圍，可能仍然處于新生階段，并不能算是真正的行星。endprint