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猜想双面行星GJ1214b的水世界

发布时间:2022-03-11 08:42:08 浏览数:

研究太阳系以外的行星,给地球人类找一个合适的家园,这是当代天文学家热衷研究的课题。截止到2014年2月,天文学家已经确定了1 700颗太阳系以外的行星,但是,这些行星中绝大多数是气体行星,也就是像木星那样的气体“虚胖子”,它们可不是我们要找的目标。

现在天文学家比较关注的是含有水的岩石行星,这样与地球情况比较接近的行星被称为类地行星,亦称超级地球。超级地球已经找到不少了,通过测算它们的体重和密度,人们还发现了不少水世界,GJ1214b就是一颗含有水的系外行星,它距离地球仅有四十光年。

GJ1214b行星是较早出现在天文学家面前的一颗行星,是在2009年被发现的,它在围绕着恒星运行的时候,也会产生对恒星的引力。GJ1214b从恒星面前经过的时候,会让恒星的光芒变得暗淡一些,具体暗淡了多少,也能够大概知道它的个头大小,它的体积是地球的2.7倍。

既然知道了质量,也知道了个头,就可以很容易地知道它的密度是多少,GJ1214b的密度约为每立方厘米2克,它仅仅比水重一点,水的密度是每立方厘米1克,如果把这颗星球放到水里,它刚刚能沉没。这样的密度远远赶不上地球的密度,地球上不仅有水,还有陆地,还有各种金属矿物,抛开各种物质的比例,我们知道地球的平均密度是每立方厘米5.5克。那么,密度为2克的这颗星球究竟是由什么组成的?这个问题让天文学家伤透了脑筋。

天文学家意识到有两种可能,第一种可能:它有较小的岩石核心,外加一个非常大的氢气层,干脆说它就是一大团氢气包裹着一些石头。另一种可能是:它有一个较大的岩石核心,核心外围是深深的海洋,海洋再外面就是大气层,只不过这个大气层是水汽和氢气并存的,而水汽占多数。说的是两个问题,其实就是一个问题,那就是它的岩石有多少?或者也可以问:它的大气层是水汽还是氢气?

热气腾腾的水世界

从GJ1214b行星进入天文学家的视野那一天起,它就成了观测重点,人们迫切地想揭开它的面纱,想知道它的物质组成结构。于是,天文学家开始了一次竞赛,研究它的大气层究竟是什么结构。氢气是最轻的一种气体,如果排除了含氢气较多这种可能之后,那么就可以肯定,它的大气层成分主要是水。

很多研究日外行星的科学家投入到这项研究中去,很多大型望远镜也被投到这项研究中去。2012年,GJ1214b发生凌星的时候哈勃空间望远镜观测了它,但是没有什么结果。2013年,当GJ1214b再次发生凌星的时候,日本科学家使用斯巴鲁望远镜也研究了这颗行星,发现这颗行星有浓密的大气层。但是,这不是一个适合我们的星球,GJ1214b围绕的恒星是一颗红矮星,这颗红矮星十分昏暗,亮度只有太阳的三千分之一。虽然温度并不高,但是它们之间的距离太近了,GJ1214b每38小时就能围绕着恒星转一圈,它与恒星距离仅209万千米,这么近的距离让海洋中的水变得沸腾,沸腾的水蒸发到空气中去了,变成了蒸汽,蒸汽的温度高达230度,即使是洗桑拿浴也不需要这么高的温度,如果是蒸馒头还比较合适,这里是热气腾腾的水世界。

热气腾腾的冰世界

GJ1214b真是一个奇妙的星球,虽然有人认为它是热气腾腾的水世界,但另一些天文学家认为,这里可能是热气腾腾的冰世界。

在地球上,海洋最深的地方有一万多米,在这里,海水依然是海水。但是,在GJ1214b这个热气腾腾的世界,深处的海水将会成为一种特别的冰,那是温度很高的冰,它们被称为热冰。

水在零度的时候就会结冰,但这仅仅是地面,这里也就是一标准大气压,而在海底,尤其是在GJ1214b这个星球的海底,大气的压力再加上海水的压力,会使压力大得惊人。压力大是一个原因,还有另一个原因是这里的温度也会很高。这两个原因造就了一种奇特的景观,海底的水是以冰的形式存在的,而且这是温度很高的热冰。

冰的熔点与压力存在着一种奇妙的关系,在2 200大气压以下,压力越大,冰的熔点就越低,大约每升高130个大气压降低1℃:超过2 200大气压后,压力越大,冰的熔点则越高,3 530大气压下冰的熔点为-17℃,6 380大气压下冰的熔点为O℃,16 500大气压下冰的熔点为60℃,而20 670大气压下冰在76℃时才熔化,称为名副其实的“热冰”。在GJ1214b的表面,温度为230℃,虽然海底温度低一些,也能达到76℃,这里自然会出现热冰。

即使达不到76℃,压力和温度的共同作用,也会使它在不知道某个深度,就会出现热冰。也有观点认为,不仅热冰存在于这个星球的海底,热冰还存在于这个星球的表面,厚厚的大气层导致星球的表面压力巨大,在海面上,就会存在热气腾腾的冰,热冰覆盖着整个星球,这里将是一个热气腾腾的冰世界。热冰等于陆地,可以让人行走,但是也不要简单地认为可以居住,大气压力会让你受不了。

冰给我们的概念总是寒冷的,它几乎就是寒冷的代名词,在地球表面,水在零度的时候就会结冰,要想让它持续地存在,就需要更低的温度,但是在这颗行星上,我们的观点完全被改变了。

GJ1214b是一个热气腾腾的水世界,还是一个热气腾腾的冰世界?这需要更精确的观测数据加以判定,或者你有自己的答案,发邮件告诉我们你的想法吧。

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