根据现有的物理定律，能存在一个比地球体积大多少的固体星球？
要回答“根据现有的物理定律，能存在一个比地球体积大多少的固体星球？”，这问题触及到恒星形成、行星演化以及物质在极端条件下的行为等一系列物理学核心概念。简而言之，答案并非一个简单的数字，而是受到多种因素制约的上限。我们可以从几个关键点来探讨这个问题。
首先，我们需要明确“固体星球”的定义。通常，我们将其理解为主要由岩石和金属构成，而不是气态巨行星。地球就是这样一个例子。那么，是什么限制了固体星球的规模呢？
1. 引力与结构强度：自身的引力会压垮它
这是最根本的限制。当一个天体的质量和体积不断增大时，其自身的引力也随之增强。对于固体星球来说，其结构强度（岩石和金属能够承受的压力）是有限的。在达到某个临界点后，星球自身的引力会远远超过其内部物质的结构强度，导致其崩塌。
想象一下，你把一堆沙子堆得很高，最终它会因为自身的重量而散开。固体星球也面临着类似的挑战，只不过规模要大得多，而且内部的“沙子”是坚硬的岩石。
引力坍缩： 随着质量增加，星球核心承受的压力呈指数级增长。当这个压力超过构成星球的物质（如铁、硅酸盐等）的抗压强度时，星球就会开始变形、坍缩。
质量上限： 天文学家们通过观测和理论模型，对固体行星的质量上限进行过估算。对于富含硅酸盐和铁的行星，这个上限大约在地球质量的几倍到十几倍之间。例如，有一个被称为“超级地球”的天体类别，它们比地球质量大，但仍然被认为是岩石行星。但即便如此，“超级地球”的上限也并不是无限的。一旦质量再增加，内部的压力和温度会变得异常巨大，可能导致物质发生相变，甚至进入我们尚不完全理解的极端状态。
2. 形成过程中的能量与物质分配：如何“堆积”起来？
一个固体星球并非凭空出现，而是通过吸积盘中尘埃和岩石颗粒在引力作用下聚集而成的。在恒星形成初期，围绕年轻恒星的行星形成盘中存在大量的固体物质。
气体巨星的竞争： 在拥有大量气体和尘埃的早期恒星系统中，如果一个行星能够快速积累足够的质量，它就能利用自身强大的引力吸引到大量的氢和氦等气体，从而形成气态巨行星（如木星）。气态巨行星的质量上限要远高于固体行星，因为它们是靠引力“抓住”气体，而固体行星的质量上限受限于自身物质的支撑能力。
岩石物质的供应： 形成一个巨大固体星球需要大量的岩石和金属，而这些物质在行星形成盘中的分布和可用性是有限的。即使理论上存在一个足够大的“空腔”可以容纳一个巨大的固体星球，如果系统中没有足够多的固体物质来形成它，那么它也就无法存在。
轨道动力学： 即使有足够的物质，要让它们在某个区域聚集形成一个巨大的固体星球，还需要稳定的轨道动力学环境。如果在早期系统中行星之间发生了剧烈的引力摄动，可能会将一些形成的行星抛射出去，或者将物质驱散。
3. 对外部恒星的依赖：热量与物质的来源
一个固体星球的存在，也与其母恒星有着密切的关系。
恒星的辐射压： 恒星在形成过程中会释放出强烈的辐射和恒星风，这些会驱散行星形成盘中的气体和细小尘埃，留下较大的固体物质。如果恒星的辐射过强，可能会剥离行星正在积累的物质。
潮汐力： 如果一个固体星球离母恒星太近，强大的潮汐力可能会将其撕裂。即使星球足够大以抵抗潮汐力，但过高的温度也会影响其表面和内部的物质状态。
母恒星的质量： 母恒星的质量决定了其寿命以及行星形成盘的组成和演化速度。质量较小的恒星，其行星形成盘可能不够庞大，或者形成的行星盘寿命较短，不利于形成巨型固体行星。
4. 物质状态的变化：高温高压下的未知领域
当我们谈论“固体”星球时，我们通常指的是其主要成分在地球上可以被视为固体的岩石和金属。然而，在巨大的引力下，星球内部的压力和温度会达到地球上难以想象的程度。
物质的相变： 在极高的压力下，普通的岩石和金属会发生相变，形成新的晶体结构，其性质可能与我们熟悉的固体有很大不同。甚至可能存在一些我们尚未发现的、在极端条件下才稳定的物质形态。
“熔融”与“固态”的界限： 随着质量的增加，内部温度会升高，即使整体被认为是“固体”，其核心区域也可能处于熔融状态，或者进入一种介于固态和液态之间的“粘稠”状态。
那么，具体能比地球大多少呢？
根据目前的天文学观测和理论模型，对于由硅酸盐和铁构成的“岩石行星”，其质量上限大致在地球质量的10到20倍之间。如果达到这个质量范围，其半径也会相应增大，但由于引力压缩效应，增大的幅度会比质量增大的幅度要小一些。
半径估算： 假设一个岩石行星的密度与地球相似，那么一个质量是地球10倍的行星，其体积大约会是地球的10倍（如果密度不变）。但实际上，引力压缩会使内部密度增大，所以半径的增大比例会小于体积的增大比例。粗略估计，质量为地球10倍的岩石行星，其半径可能在地球半径的2到3倍左右。
总结一下，一个比地球大多少的固体星球的存在，受到以下关键物理定律的制约：
1. 万有引力定律： 决定了星球自身的引力强度，这是压垮固体结构的首要因素。
2. 固体力学定律： 决定了岩石和金属所能承受的最大应力，一旦超过这个极限，星球就会开始坍缩。
3. 热力学定律： 影响着星球内部的温度和物质状态，尤其是在极端压力下。
4. 量子力学和核物理定律： 在极端高压高温下，原子结构和核反应可能发生我们尚不完全理解的变化，这些也可能对星球的结构和稳定性产生影响。
5. 吸积理论和恒星演化理论： 解释了行星形成过程中物质的来源、分布和演化过程，限定了形成巨型固体行星的可能性和条件。
因此，现有的物理定律允许存在比地球体积大不少的固体星球，但并非无限大。这个上限大概在质量是地球的1020倍，半径是地球的23倍左右，再往上，它就更可能变成一个气态行星，或者由于自身引力而发生我们尚不完全理解的结构变化，不再是传统意义上的“固体星球”。当然，随着我们对宇宙的探索和理论研究的深入，这个数字也可能被重新审视和修正。
首先，我们需要明确“固体星球”的定义。通常，我们将其理解为主要由岩石和金属构成，而不是气态巨行星。地球就是这样一个例子。那么，是什么限制了固体星球的规模呢？
1. 引力与结构强度：自身的引力会压垮它
这是最根本的限制。当一个天体的质量和体积不断增大时，其自身的引力也随之增强。对于固体星球来说，其结构强度（岩石和金属能够承受的压力）是有限的。在达到某个临界点后，星球自身的引力会远远超过其内部物质的结构强度，导致其崩塌。
想象一下，你把一堆沙子堆得很高，最终它会因为自身的重量而散开。固体星球也面临着类似的挑战，只不过规模要大得多，而且内部的“沙子”是坚硬的岩石。
引力坍缩： 随着质量增加，星球核心承受的压力呈指数级增长。当这个压力超过构成星球的物质（如铁、硅酸盐等）的抗压强度时，星球就会开始变形、坍缩。
质量上限： 天文学家们通过观测和理论模型，对固体行星的质量上限进行过估算。对于富含硅酸盐和铁的行星，这个上限大约在地球质量的几倍到十几倍之间。例如，有一个被称为“超级地球”的天体类别，它们比地球质量大，但仍然被认为是岩石行星。但即便如此，“超级地球”的上限也并不是无限的。一旦质量再增加，内部的压力和温度会变得异常巨大，可能导致物质发生相变，甚至进入我们尚不完全理解的极端状态。
2. 形成过程中的能量与物质分配：如何“堆积”起来？
一个固体星球并非凭空出现，而是通过吸积盘中尘埃和岩石颗粒在引力作用下聚集而成的。在恒星形成初期，围绕年轻恒星的行星形成盘中存在大量的固体物质。
气体巨星的竞争： 在拥有大量气体和尘埃的早期恒星系统中，如果一个行星能够快速积累足够的质量，它就能利用自身强大的引力吸引到大量的氢和氦等气体，从而形成气态巨行星（如木星）。气态巨行星的质量上限要远高于固体行星，因为它们是靠引力“抓住”气体，而固体行星的质量上限受限于自身物质的支撑能力。
岩石物质的供应： 形成一个巨大固体星球需要大量的岩石和金属，而这些物质在行星形成盘中的分布和可用性是有限的。即使理论上存在一个足够大的“空腔”可以容纳一个巨大的固体星球，如果系统中没有足够多的固体物质来形成它，那么它也就无法存在。
轨道动力学： 即使有足够的物质，要让它们在某个区域聚集形成一个巨大的固体星球，还需要稳定的轨道动力学环境。如果在早期系统中行星之间发生了剧烈的引力摄动，可能会将一些形成的行星抛射出去，或者将物质驱散。
3. 对外部恒星的依赖：热量与物质的来源
一个固体星球的存在，也与其母恒星有着密切的关系。
恒星的辐射压： 恒星在形成过程中会释放出强烈的辐射和恒星风，这些会驱散行星形成盘中的气体和细小尘埃，留下较大的固体物质。如果恒星的辐射过强，可能会剥离行星正在积累的物质。
潮汐力： 如果一个固体星球离母恒星太近，强大的潮汐力可能会将其撕裂。即使星球足够大以抵抗潮汐力，但过高的温度也会影响其表面和内部的物质状态。
母恒星的质量： 母恒星的质量决定了其寿命以及行星形成盘的组成和演化速度。质量较小的恒星，其行星形成盘可能不够庞大，或者形成的行星盘寿命较短，不利于形成巨型固体行星。
4. 物质状态的变化：高温高压下的未知领域
当我们谈论“固体”星球时，我们通常指的是其主要成分在地球上可以被视为固体的岩石和金属。然而，在巨大的引力下，星球内部的压力和温度会达到地球上难以想象的程度。
物质的相变： 在极高的压力下，普通的岩石和金属会发生相变，形成新的晶体结构，其性质可能与我们熟悉的固体有很大不同。甚至可能存在一些我们尚未发现的、在极端条件下才稳定的物质形态。
“熔融”与“固态”的界限： 随着质量的增加，内部温度会升高，即使整体被认为是“固体”，其核心区域也可能处于熔融状态，或者进入一种介于固态和液态之间的“粘稠”状态。
那么，具体能比地球大多少呢？
根据目前的天文学观测和理论模型，对于由硅酸盐和铁构成的“岩石行星”，其质量上限大致在地球质量的10到20倍之间。如果达到这个质量范围，其半径也会相应增大，但由于引力压缩效应，增大的幅度会比质量增大的幅度要小一些。
半径估算： 假设一个岩石行星的密度与地球相似，那么一个质量是地球10倍的行星，其体积大约会是地球的10倍（如果密度不变）。但实际上，引力压缩会使内部密度增大，所以半径的增大比例会小于体积的增大比例。粗略估计，质量为地球10倍的岩石行星，其半径可能在地球半径的2到3倍左右。
总结一下，一个比地球大多少的固体星球的存在，受到以下关键物理定律的制约：
1. 万有引力定律： 决定了星球自身的引力强度，这是压垮固体结构的首要因素。
2. 固体力学定律： 决定了岩石和金属所能承受的最大应力，一旦超过这个极限，星球就会开始坍缩。
3. 热力学定律： 影响着星球内部的温度和物质状态，尤其是在极端压力下。
4. 量子力学和核物理定律： 在极端高压高温下，原子结构和核反应可能发生我们尚不完全理解的变化，这些也可能对星球的结构和稳定性产生影响。
5. 吸积理论和恒星演化理论： 解释了行星形成过程中物质的来源、分布和演化过程，限定了形成巨型固体行星的可能性和条件。
因此，现有的物理定律允许存在比地球体积大不少的固体星球，但并非无限大。这个上限大概在质量是地球的1020倍，半径是地球的23倍左右，再往上，它就更可能变成一个气态行星，或者由于自身引力而发生我们尚不完全理解的结构变化，不再是传统意义上的“固体星球”。当然，随着我们对宇宙的探索和理论研究的深入，这个数字也可能被重新审视和修正。
网友意见
根据目前的理论，在 B 型和 O 型恒星（5~120 倍太阳质量的大质量恒星）附近有概率形成质量达千倍地球质量的固体行星，因为这些恒星周围可以产生规模巨大的原行星盘，而且强烈的恒星风和紫外辐射可以从靠近恒星的原行星盘中推开气体。如此形成的固体行星的体积可以达到地球的数百倍；
宇宙中还有许多甩出恒星系外的“流浪行星”和远离恒星的褐矮星。在低温下经过足够长的散热时间，气体行星和褐矮星上的氢气、氦气之类可以变成固体。固态氢的密度只有 86 千克每立方米，不考虑特殊技术制备，是已知密度最小的固体。目前宇宙中大概还没有冷却到那地步的褐矮星，但你可以预期将来会有，那样可以很容易地批量提供上千倍地球体积的“固体星球”。
在质量增加到一定地步时，由于中心附近的物质压得非常紧密、依赖电子简并压支撑，行星的体积会随着质量增加而缩小，其极限体积取决于材料。
按当前理论，计算机模拟的固体行星的质量-半径关系图[1]：
纵轴为固体行星半径和地球半径的比值，也就是二者体积比值的立方根。横轴是固体行星质量与地球质量的比值。
线对应的行星材料：
- 纯氢（绝对零度下的理论值，下同）——青色实线；
- 含 25% 氦的氢氦混合物——青色点线；
- 水冰——蓝色实线；
- 75% 水冰、22% 硅酸盐、3% 铁——蓝色虚线；
- 45% 水冰、48.5% 硅酸盐、6.5% 铁（类似木卫三）——蓝色点划线；
- 25% 水冰、52.5% 硅酸盐、22.5% 铁——蓝色点线；
- 硅酸盐（MgSiO3 过氧化物）——红色实线；
- 32.5% 铁、67.5% 硅酸盐（类似地球）——红色虚线；
- 70% 铁、30% 硅酸盐（类似水星）——红色点线；
- 纯铁（ε 态）——绿色实线。
蓝色三角形表示太阳系现有的行星，从左到右是火星、金星、地球、天王星、海王星、土星、木星，水星太靠近原点就没画。品红色方块表示通过凌日法观测的系外行星。
可见海洋行星也有概率在低温下整出五六百倍地球体积。
在温度高于绝对零度的现实中，上述体积可以再膨胀一些。
不喜欢固体氢、固态水的话，冥府行星也能挑战数百倍地球体积。
- 低于 5 倍地球质量的行星通常会是岩石行星，超过 10 倍地球质量的行星则会成为类海王星或气体行星，这是因为后者的引力能束缚氢气分子。一些学者建议，在足够靠近恒星的情况下，类海王星或气体行星的气体可以被恒星大量驱散，直到露出固体核心，称为“冥府行星”。
- 疑似这样形成的 TOI-849b 质量约为地球的 39.09 倍，半径约为地球的 3.44 倍，体积约为地球的 40.75 倍。
- 气体行星 Corot-20b 的岩石核心可能有 600~800 倍地球质量。
白矮星、黑矮星之类恒星残骸可以算做“固体星球”，但体积远没有上面谈论的巨型行星那么大。
参考
- ^S. Seager et al 2007 ApJ 669 1279 https://arxiv.org/pdf/0707.2895.pdf
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