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第10章 太阳系外的简单天体(1)

系外行星

系外行星,泛指在太阳系以外的行星。从20世纪90年代初次证实系外行星存在,到2009年6月,人类已发现349颗系外行星。历史上天文学家一般相信,在太阳系以外存在其他行星,但它们的普遍程度和性质还是一个谜。自2002年起,每年都有20个以上新发现的系外行星。

目前,估计不少于10%类似太阳的恒星都有其行星。随着系外行星的发现,人们开始假想它们当中是否存在外星生命。虽然已知的系外行星均附属不同的行星系统,但有报告显示可能存在一些不围绕任何星体公转,却具有行星质量的物体(行星质量体),但至今亦未证实这类天体存在。

热木星:热木星指其公转轨道极为接近其恒星的类木行星,这类行星在其他星系可以找到。热木星具有以下特性:在太阳与地球的距离上观测,它们出现凌日的次数较多;其密度较小,在凌日期间会出现黑滴现象,使量度其半径更困难;它们原先的轨道距离其恒星均非极近;它们轨道的离心率极小。

据美国国家航空航天局消息,史匹哲太空望远镜首次捕获到太阳系外行星发出的光,由此获得的行星光谱使科学家有望确定外层空间行星大气层中的分子组成。这一发现具有里程碑意义,科学家迈出了探测外层空间行星上潜在生命的重要一步。

离心木星:离心木星是一类太阳系外的类木行星,其轨道离心率极大,接近彗星轨道。同热木星一样,离心木星系统中不太可能存在类地行星,因为只要给予足够时间,一颗如木星大小的行星就能够将所有质量和地球相仿的类地行星抛出该行星系统。据估计,大约7%的恒星都拥有一颗离心木星。

星际行星:流浪行星的一种,是一种假设存在的天体。它们原本绕着自己的恒星公转,受到大型天体引力影响,被引力射出其所在星系,而流浪在宇宙之中。

1998年,大卫·史提芬逊发表论文则提出不同的看法,文中提及被逐出太阳系的行星,由于存在“放射性热力散失”,可能会在冰冷宇宙中保留浓密大气层,不被冻结。此推论以大气阻光度作推测,大气越浓厚,阻光度越高,因此浓厚的氢气可阻挡不少放出的红外线,保留热力。另一方面,有认为在行星系统形成期间,有不少较小的原行星会被弹射出该系统。由于距离太阳越远,行星接收的紫外线会越少,其空气分子的动能也会越少,这时,重力与地球相近的行星可保留其氢气和氦气。

脉冲行星:是围绕脉冲星公转的行星。脉冲星,即高速自转的中子星。脉冲星的行星通常以脉冲计时来侦测,由于脉冲星的自转速度几乎不变,所以人们透过精密仪器来侦测脉冲的变化,较易便可推断到该脉冲星是否存在行星,并可透过变化的出现计算行星公转周期。

首颗被发现有行星的脉冲星为一颗毫秒脉冲星。因为其环绕的恒星独特性,所以是最早被发现的太阳系外行星。2006年,人们使用史匹哲太空望远镜观测到,在一颗距离地球1.3万光年,名为4U0142+61的脉冲星,发现一个原行星盘。人们认为,该原行星盘由富含金属的超新星爆发残余物质组成,这颗脉冲星据估计在距今10万前发生超新星爆发。

之外,不少与太阳相似的恒星也拥有与这颗脉冲星类似的原行星盘,所以这颗脉冲星的原行星盘或会形成新的行星。但受到脉冲星释放的强大电磁辐射影响,这些新行星不可能出现生命。

冥府行星:冥府行星是一种假设的天体类型,是外围数层的氢和氦被剥离之后产生的气体巨星。由于行星过度接近恒星,其大气层被剥离,残余的岩石或金属核心类似于类地行星。HD209458b(地狱判官)是大气层被剥离过程中行星的一个例子,虽然它本身还不是一颗冥府行星,但在未来某一天它会称为一颗冥府行星。目前还未发现冥府行星。

海洋行星:海洋行星,一类假定存在的系外行星,其表面完全被液态水构成的海洋覆盖。在外太阳系中形成的行星,其初始的物质构成类似彗星,包括质量近乎均等的水和岩石。对太阳系的形成和演化进行的模拟显示在行星形成过程中,其轨道可能向内或向外迁移,从而可能造成以下情况:冰冻行星的轨道向内迁移,行星上的冰体水融化成液态水,最终形成海洋行星。

该类行星上的海洋可能深达数百千米。在海洋深处,巨大压力使一个由非常态冰构成的地幔成型,其中的非常态冰则并非如人们所理解的那样处于低温状态。如果该行星足够接近母星,那么其上的海水温度就可能接近沸点,海水将处于超临界状态,从而使海洋缺乏确定的表面。系外行星格利泽581d可能是一颗海洋行星,它处于Gliese581的适居带内。该行星上的温室效应使行星温度适于液态水存在。

热海王星:热海王星是一类假定存在的太阳系外行星,其轨道距离母星较近(通常小于1天文单位)。该类行星的质量接近于海王星和天王星的内核和包层质量之和。据观测结果显示,可能存在的热海王星数量比预期较多。

超级地球:超级地球,一种绕行恒星公转,因质量约为地球的2~10倍,被归类在温度较热且较无冰层覆盖的类海王星与体积大小近似地球之行星中间的星体。

目前,已有数颗超级地球被世人发现。地球做为太阳系中最大的类地行星,其所处的太阳系并不包含这一类能被当作范例的行星,凡是那些体积大过地球的行星,质量至少10倍于地球。

碳行星:碳行星又称钻石行星,一种假设存在的类地行星,其内部拥有钻石内层,厚度可达几十千米。这些钻石行星可在不少恒星的原行星盘中产生,如果它们真的拥有大量碳元素并缺少氧,它们的演化将截然不同于地球、金星及火星这些主要以矽氧化合物的行星。

据现时理论推测,这些碳行星会拥有丰富的铁内核,内核上层由很厚的碳化矽及碳化钛,然后是碳元素层,这些碳元素会以石墨形态存在,如果行星的体积大及有足够压力,碳元素层的底部便能挤压出钻石。

碳行星的表面会充满碳氢化合物及一氧化碳,如果有水存在的话,它们有机会孕育出生命。绕脉冲星PSR1257+12公转的行星或会是碳行星,可能是年老恒星产生碳元素,再经超新星爆发而产生的。而其他可能拥有碳行星的恒星推测会在银河系中心位置,这些恒星同样会拥有充足的碳元素。

恒星

球状或类球状天体,恒星由炽热气体组成,能自己发光,离地球最近的恒星是太阳;其次是处在半人马座的比邻星,它发出的光到达地球要4.22年。恒星都是气体星球。

晴朗无月的夜晚,在无光污染的地区,一般人用肉眼约可看到6000多颗恒星。借助于望远镜,可看到几十万至几百万颗以上。估计银河系中的恒星大约有1000~2000亿颗。恒星并非静止不动,只是由于距人们太远,不借助于特殊工具和方法,很难发现它们在天上的位置变化,因此古代人认为它们是固定不动的星体,称为恒星。

星等:为表示恒星的明暗程度,天文学家创造出了星等这个概念。它是表示天体相对亮度的数值,记为“米”。

恒星越亮,星等越小;星等的数值越大,它的光就越暗。在地球上测出的星等叫视星等;归算到离地球10秒差距处的星等叫绝对星等。使用对不同波段敏感的检测元件所测得的同一恒星的星等一般不同,目前最通用的星等系统之一是U(紫外)、B(蓝)、V(黄)三色系统。B和V分别接近照相星等和目视星等。两者之差就是常用的色指数。色指可确定色温度。

温度和绝对星等是恒星的两个重要的特征。约100年前,丹麦艾基纳和美国诺里斯各自绘制了发现温度和亮度之间是否有关系的图,该图被称为赫罗图,或H-R图。

在H-R图中,大部分恒星构成一个在天文学上称作主星序的对角线区域。在主星序中,恒星的绝对星等增加时,其表面温度也随之增加。90%以上的恒星都属于主星序,太阳也是这些主星序中的一颗。巨星和超巨星处在H-R图的右侧较高较远的位置上。白矮星的表面温度虽然高,但亮度不大,因此他们只处在该图中下方。

恒星的运动:不同恒星运动的速度和方向不一样,它们在天空中相互间的相对位置会发生变化,这种变化称为恒星的自行。全天恒星之中,自行最快的是巴纳德星,达每年10.31角秒。一般的恒星,自行要小得多,大多数小于1角秒。

恒星自行的大小不能反映恒星真正运动速度的大小。同样的运动速度,距离远就看上去慢,距离近则看上去快。因为巴纳德星距离人们很近,不到6光年,所以真实的运动速度仅88千米/秒。

恒星的自行反映恒星在垂直于人们视线方向的运动,称为切向速度。恒星在沿人们视线方向也在运动,该运动速度称为视向速度。巴纳德星的视向速度是-108千米/秒(负的视向速度表示向人们接近,而正的视向速度表示离人们而去)。恒星在空间的速度,应是切向速度和视向速度的合成速度,对于巴纳德星,它的速度为139千米/秒。

上述恒星的空间运动,由三个部分组成:恒星绕银河系中心的圆周运动,它是银河系自转的反映;太阳参与银河系自转运动的反映。在扣除这两种运动的反映后,才真是恒星本身的运动,称为恒星的本动。

特殊恒星:特殊恒星,在天文学上是指金属丰度,至少在它们的表面上是异常的恒星。化学组成特殊星在炙热的主序星(氢燃烧)中很普遍。

根据他们的光谱,这些炙热的特殊星被画分为四大类,分别为弱氦星、汞锰星、金属线星和A型特殊星。弱氦星会让我们期望它有少量的氦,汞锰星在光谱中有强烈的汞和锰吸收线,金属线星有强烈的金属线和微弱的钙和Sc线,A型特殊星有强磁场和强烈的硅、铬、铕及其他吸收线。有些还会呈现两种以上类型的特征。

原恒星:即处在“原始状态”(慢收缩阶段)的恒星。原恒星由“大爆炸”后产生的星际云演变而来。它是在星际介质中的巨分子云收缩下出现的天体,是恒星形成过程中的早期阶段。大爆炸后的宇宙空间充满大致均匀的星际物质。

这些物质中的一些不稳定因素(主要是引力)逐渐引起星际云中物质密度的变化,导致一个或几个“引力中心”出现。这些“引力中心”的引力作用使周围物质向其中心坠落。物质越来越快地被吸收,这些物质的引力势能转化为热能,使原恒星中心温度持续升高。当温度达到六七百万度时,“质子-质子”的聚变核反应被点燃。当温度升到1000多万度时,恒星中心的核反应稳定进行。此时,恒星原恒星阶段结束,主序星阶段开始。

主序星:恒星以内部氢核聚变为主要能源的发展阶段叫恒星的主序阶段,处于主序阶段的恒星被称为主序星。

主序阶段是恒星的青壮年期,恒星在这一阶段停留的时间占整个寿命的90%以上。这是一个相对稳定期,其向外膨胀和向内收缩的两种力大致平衡,恒星基本上不收缩不膨胀。恒星停留在主序阶段的时间随着质量不同而出现差异。质量越大,光度越大,能量消耗也越快,停留在主序阶段的时间就越短。如质量等于太阳质量的15倍、5倍、1倍、0.2倍的恒星,处于主序阶段的时间分别为1000万年、7000万年、100亿年和1万亿年。

棕矮星:棕矮星质量约为5~90个木星之间。不同于一般恒星,棕矮星的质量不足,其核心不会融合氢原子来发光发热,不能成为主序星。但它们的内部及表面均呈现对流状态,不同的化学物质并不会在内部分层存在。

目前,人们仍在研究棕矮星在以前是否曾在某位置发生过核聚变,现在已知质量大于13个木星的棕矮星可融合氘。

首个棕矮星在1995年被证实,至今已有上百个。现时普遍认为棕矮星是银河系中数目最多的天体之一,较接近地球的棕矮星位于印第安座的epsilon星,该恒星拥有两颗棕矮星,距离太阳12光年。

碳星:碳星是表层含有的碳多于氧的红巨星。碳可能是来自恒星内部氦融合后的产物。碳星以恒星风方式,抛掉巨多的重量,这些重量占了恒星总重量很大比例。吹出的恒星风变成星际气体,而未来新诞生的恒星将由这些星际气体组成。

最近,哈勃太空望远镜观测到一个神秘天体,天文学家根据天体发生的红移现象判断它与地球的距离,红移越大,表示距离越远。红移达到6.7的一个星系和达到5.8的一个类星体,是至今观测到的最远天体。据推断,该天体可能是一个距地球不远,但极暗淡的星系,即碳星,或是一个已知宇宙内最遥远的天体。

小知识

三角视差法

天文学家把需要测量的天体按远近分为几个等级。离人们较近的天体,距人们最远不超过100光年(1光年=9.46万亿1012千米),天文学家用三角视差法测量它们的距离。

三角视差法是把被测天体置于一个特大三角形的顶点,地球绕太阳公转的轨道直径的两端是这个三角形的另外两个顶点,通过测量地球到那个天体的视角,再用到已知地球绕太阳公转轨道的直径,利用三角公式推算出该天体到人们的距离。稍远一点的天体无法用三角视差法测量它和地球之间的距离,因为在地球上,无法精确地测定它们的视差。

矮星

矮星,像太阳一样的小主序星。如果是白矮星,就是像太阳一样的一颗恒星的遗核。褐矮星缺乏足够物质进行熔化反应。

白矮星:白矮星是一种低光度、高密度、高温度、质量大的恒星。因它颜色发白,体积较矮小,所以被命名为白矮星。

白矮星属于演化到晚年期的恒星。这些恒星不能维持核聚变反应,所以在经过氦闪进化到红巨星阶段之后,他们会将外壳抛出形成行星状星云,而留下一个核聚变产生的的高密度核心,即白矮星。

目前已观测发现的白矮星有1000多颗。天狼星的伴星是第一颗被人们发现的白矮星,也是所观测到的最亮的白矮星(8等星)。

褐矮星:褐矮星的构成类似恒星,但质量不够大,不能在核心点燃聚变反应的气态天体,其质量在恒星与行星之间。

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