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冷木星

冷木星（英語：Cold Jupiter），亦稱雙生木星（Jupiter-twins[1]〕是一種系外氣體巨行星，它們的質量接近或是超過木星質量（1.9 × 1027 kg），並且以與太陽系類木行星相大致相同形式的軌道繞著其母恆星公轉[2][3]。在我們的太陽系內，木星和土星都是這一類型行星。「冷木星」意味著行星的軌道位於行星系外側較冷的區域內，但卻並未考慮來自行星的內熱[4][5]。

一顆藝術家想像的冷木星。

結構

 
太陽系冷木星和冰巨星的內部構造

冷木星約90%的大氣層都是由氫氣組成，而氦氣則構成了大氣層的3至12%不等。這些輕元素佔了行星大氣層的總質量超過90%，而剩餘的僅為其他氣體。這些氣體包括甲烷、水蒸氣和氨氣。在其濃厚的大氣層下，可能存在一個固體的核心。這個固態核心主要由融熔岩石組成，而行星的重元素也主要集中在核心中。[6]但是，由於冷木星本身的質量較大，其內部產生的壓力有可能將核心融化掉，並因此令到整個行星再沒有任何固體表面的存在。

物理特徵

 
太陽、木星、地球與月球的半徑比例圖

冷木星是其中一種擁有最大體積的行星。它們能容納數百個地球，甚至逾千個地球。它們的質量亦非常高，一般比地球重數十倍，但部分比地球重數百倍。儘管如此，相比起恆星的質量，冷木星仍然相對輕得多。而因為它們是氣體巨行星，所以其密度較低，約為每立方厘米1克，比類地行星的密度（每立方厘米3-6克）低得多，部分冷木星密度更低於水的密度（每立方厘米1克）。如果將它們放在水中的話,它會浮在水中呢![7]冷木星的自轉週期亦非常之短促，通常少於半個地球日。而由於冷木星的密度較低、自轉較快和流體本質的可變性，所以它們的扁率比類地行星要高得多。因為冷木星距離母恆星較遠，所以它們的軌道週期較長，例如木星的軌道週期約為12年。而同樣校由於它們距離母恆星較遠，所以其表面溫度僅為100 K至200 K。儘管如此，它們所產生的內熱卻可達20000 K，全因其巨大壓力所致。而且，克赫歷程更能讓這些冷木星釋放的熱力比從恆星接收的熱力還要多。[8][9]

在薩達斯基太陽系外行星分類法中，冷木星主要為第一型行星，即氨雲型行星。它們以氨作為雲的主要成分，並且溫度必須在150 K以下才能形成。[10]熱木星主要為第四型和第五型行星。而第二型和第三型則徘徊在冷木星和熱木星之間，因為它們的表面溫度不符合「冷」木星的要求，但溫度又不及熱木星般高。[11]

太陽系中的冷木星

 
木星的內部結構，其中大部分為金屬氫。

木星

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「冷木星」一名是取自木星，這代表木星是冷木星的一個典型例子。木星的規模非常大，其半徑為71,492公里，約為地球的11倍。而其體積則為1.43128×1015立方公里，約為地球的1300倍。 其規模是如此的大，木星本身甚至能容納太陽系中除太陽外的所有天體。[12]其質量也非常大，約為地球的300倍，比太陽系中其他天體的質量總和還要重2.5倍。[13]儘管其規模和質量均位列太陽系之最，但其密度仍然相對較低。作為一個氣體巨行星，其平均密度為每立方厘米1.326克，比地球（約每立方厘米5.5克）低得多。[12]其自轉週期為9.925小時，是太陽系自轉週期最短的行星。[14]

木星的半長軸為5.2 AU，軌道周期為11.8年。[15]由於距離太陽甚遠，故其表面溫度僅為165 K（-108℃）。[12]在木星的大氣中，有約90%的成分為氫，10%為氦，而剩餘的質量則主要為甲烷、氨和氘化氫。而在90%的氫中，金屬氫又佔了大多數。[12]

土星

 
土星的環系統
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土星是太陽系中物理特徵與木星最相似的行星，其本身也是一個冷木星。土星最明顯的特徵在於其明顯的行星環系統，而很多系外冷木星相信也具有環系統。土星的規模比木星稍小，體積僅為地球的760倍。其質量則比木星小得多，僅為地球的95倍。由於其密度非常低（每立方厘米0.687克），所以土星能夠浮在水上。[16]其自轉週期（10小時32-47分鐘）比木星慢，但仍然快於類地行星。[17]

土星的半長軸為9.6 AU，軌道周期為29年。土星與太陽的距離比木星還要遠一倍以上，所以其表面溫度僅為134 K（-139℃）。[16]土星96%的大氣層為氫，3%為氦。與木星相同，土星大氣層剩餘1%質量主要為甲烷、氨等氣體。[16]

天王星和海王星

儘管天王星和海王星均為氣體巨行星，且它們的表面溫度均比木星和土星還要低，但是因為它們的大氣結構與木星和土星不同，只有20%的成份是氫氣，因此並不能被歸類為冷木星，而會被歸類為冰巨星或冷海王星。[18]

熱木星

 
蓬鬆行星（右）與木星（左）的大小比較

主条目：热木星 與冷木星相反，熱木星是指因距離母恆星非常接近，所以表面溫度極高的氣體巨行星。它們的半長軸通常為0.5至0.015 AU，表面溫度因恆星的加熱而上升至數百開氏度。儘管如此，其物理特性在很多方面卻與冷木星相同。另外，這些熱木星其實原本也是一個冷木星，但後來因各種原因而進行了行星遷移，並變得如此接近母恆星。[19]部份熱木星更會因恆星加熱而變成蓬鬆行星，即質量比木星小，但體積卻比木星大的氣體巨行星。[20]

已知的冷木星

 
藝術家筆下的飛馬座V342b

相關條目

參考資料

  1. ^ Jones, Barrie W. Life in the Solar System and Beyond 1st. 2004: 230 [2010-06-03]. ISBN 978-1852331016. （原始内容存档于2014-01-08）. 
  2. ^ Astrometry Bags a ‘Cold Jupiter’, Centauri Dreams, 2009-05-29 [2009-09-07], （原始内容存档于2012-04-10） 
  3. ^ Discovery: Even Tiny Stars Have Planets, Space.com, 2009-05-28 [2010-06-03], （原始内容存档于2010-12-08） 
  4. ^ 50-year-old planet-hunting method nabs its first planet, 天文學雜誌, 2009-05-29 [2010-06-03], （原始内容存档于2009-07-06） 
  5. ^ Than, Ker, Planet Found Orbiting Same-Size Star, 國家地理學會, 2009-05-29 [2010-06-03], （原始内容存档于2009-09-01） 
  6. ^ The Interior of Jupiter, Guillot et al, in Jupiter: The Planet, Satellites and Magnetosphere, Bagenal et al, editors, Cambridge University Press, 2004
  7. ^ Seager, S.; Kuchner, M.; Hier-Majumder, C. A.; Militzer, B. Mass-Radius Relationships for Solid Exoplanets. The Astrophysical Journal. 2007, 669 (2): 1279–1297. Bibcode:2007ApJ...669.1279S. arXiv:0707.2895  . doi:10.1086/521346. 
  8. ^ Patrick G. J. Irwin. Giant Planets of Our Solar System: Atmospheres, Composition, and Structure. Springer. 2003. ISBN 3-540-00681-8. 
  9. ^ Class 12 - Giant Planets - Heat and Formation. 3750 - Planets, Moons & Rings. Colorado University, Boulder. 2004 [2008-03-13]. （原始内容存档于2016-03-03）. 
  10. ^ Sudarsky, D., Burrows, A., Pinto, P. Albedo and Reflection Spectra of Extrasolar Giant Planets. The Astrophysical Journal. 2000, 538 (2): 885–903 [2013-12-19]. Bibcode:2000ApJ...538..885S. arXiv:astro-ph/9910504  . doi:10.1086/309160. （原始内容存档于2020-04-11）. 
  11. ^ Sudarsky, D., Burrows, A., Hubeny, I. Theoretical Spectra and Atmospheres of Extrasolar Giant Planets. The Astrophysical Journal. 2003, 588 (2): 1121–1148. Bibcode:2003ApJ...588.1121S. arXiv:astro-ph/0210216  . doi:10.1086/374331. 
  12. ^ 12.0 12.1 12.2 12.3 Williams, Dr. David R. Jupiter Fact Sheet. NASA. 2004年11月16日 [2007-08-08]. （原始内容存档于2011-10-05）. 
  13. ^ Burgess, Eric. By Jupiter: Odysseys to a Giant. New York: Columbia University Press. 1982. ISBN 0-231-05176-X. 
  14. ^ Seidelmann, P. K.; Abalakin, V. K.; Bursa, M.; Davies, M. E.; de Burgh, C.; Lieske, J. H.; Oberst, J.; Simon, J. L.; Standish, E. M.; Stooke, P.; Thomas, P. C. Report of the IAU/IAG Working Group on Cartographic Coordinates and Rotational Elements of the Planets and Satellites: 2000. HNSKY Planetarium Program. 2001 [2007-02-02]. （原始内容存档于2018-12-26）. 
  15. ^ Seligman, Courtney. Rotation Period and Day Length. [2009-08-13]. （原始内容存档于2018-12-26）. 
  16. ^ 16.0 16.1 16.2 Williams, Dr. David R. Saturn Fact Sheet. NASA. September 7, 2006 [2007-07-31]. （原始内容存档于2011-08-21）. 
  17. ^ Than, Ker. Length of Saturn's Day Revised. Space.com. September 6, 2007 [2007-09-06]. （原始内容存档于2008-07-24）. 
  18. ^ M. Hofstadter w/ co-authors - The Atmosphere of the Ice Giants, Uranus and Neptune (PDF). [2013-12-19]. （原始内容存档 (PDF)于2016-05-14）. 
  19. ^ Characterizing the Cool KOIs II. The M Dwarf KOI-254 and its Hot Jupiter[永久失效連結]: John Asher Johnson, J. Zachary Gazak, Kevin Apps, Philip S. Muirhead, Justin R. Crepp, Ian J. M. Crossfield, Tabetha Boyajian, Kaspar von Braun, Barbara Rojas-Ayala, Andrew W. Howard, Kevin R. Covey, Everett Schlawin, Katherine Hamren, Timothy D. Morton, James P. Lloyd
  20. ^ Chang, Kenneth. Puzzling Puffy Planet, Less Dense Than Cork, Is Discovered. The New York Times. 2010-11-11 [2013-12-19]. （原始内容存档于2017-12-01）. 

外部連結

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