问题

如果一颗岩质星球具有褐矮星的质量,它的壳幔核分别会是什么状态?

回答
设想一下,如果一颗岩质行星,拥有褐矮星那种规模的质量,那么它的内部构造,那绝对是一场与我们熟悉的岩石星球截然不同的地质奇观。我们可以从外到内,一层一层地剖析它。

首先,我们得明确,拥有褐矮星质量的“岩质行星”,这本身就是一个极具挑战性的概念,因为通常我们定义行星的质量上限,会低于能点燃氢聚变的界限(木星质量的约13倍)。褐矮星的质量区间,大致是从木星质量的13倍到75倍不等。但既然我们允许这种“概念上的行星”,那么它必然会经历与普通岩石行星截然不同的形成和演化过程,尤其是在质量带来的巨大压力和内部热量方面。

地壳:承受不住的巨压,或许只是一种流动的“表皮”

对于一颗质量如此巨大的行星来说,我们传统意义上理解的“地壳”,那个相对坚硬、能够板块构造的固态外壳,恐怕难以维持。想象一下,内部的引力有多么惊人,它会不断地将所有物质向中心挤压。

巨大的静水压力: 即使它的化学成分和我们地球相似,富含硅酸盐,但在巨大的质量作用下,即使是坚硬的岩石,也会表现出极强的塑性。地表附近的岩石,在承受数十倍于地球的引力时,其结构强度会以一种我们难以想象的方式被压垮。
不存在明显的板块构造: 独立的、相对薄脆的地壳板块,在这种高压下几乎无法形成。你可以想象,就像你在家里压一块面团,面团会均匀地向下塌陷,而不是形成板块边界。因此,我们可能看不到类似地球上的山脉、海沟,或者由板块碰撞形成的褶皱。
一种“流动的表面”: 如果非要说有“地壳”,那更像是一种相对“冷却”下来的、但仍然具有高度可塑性的物质层。它可能不会有清晰的固液界限,而是呈现出一种非常缓慢、但持续发生的“流动”状态,就像地幔对流一样,只不过是在更高的压力下进行。我们可以称之为一种“高压塑性层”。
岩石的相变: 在这种极端压力下,许多我们熟悉的矿物可能会经历相变,形成我们从未在地球上见过的、更加致密的晶体结构。地壳的成分,例如硅、氧、铁、镁等,仍然是基础,但它们的排列方式会因压力而截然不同。

地幔:高温高压下的“超塑流体”

如果说地壳是一种流动的表皮,那么地幔就更像是一种密度极高的、在极端条件下表现出“超塑性”的物质。

远超地球的地幔温度: 褐矮星本身就拥有非常高的内部温度(即使它没有点燃氢聚变,也会因为引力收缩产生大量的热量)。这股热量会传递到行星的内部,使得地幔的温度远高于地球。
“岩浆海”的另一种形态: 我们可以设想,地幔的大部分区域,即使是主要成分仍然是硅酸盐,但由于极高的温度和压力,它会以一种类似“超熔融”的状态存在。这不是我们想象中那种相对稀薄的岩浆,而是一种密度极大、粘稠度也极高的物质。
无处不在的对流: 就像地球的地幔发生对流一样,这颗行星的地幔也会有强烈的对流。然而,由于物质的密度和温度分布,这种对流会更加剧烈,其速度和模式可能与我们熟悉的地球对流完全不同,可能更接近于一种非常缓慢但力量巨大的“蠕动”。
更少的固态区域: 在如此高的压力和温度下,固态的岩石层可能非常薄,或者根本就不存在我们理解的“坚硬”的地幔岩石。整个地幔更可能是一个从上到下逐渐增温增压的连续体,其物质状态在宏观上表现出一致的“超塑流体”特性。
可能存在“岩石的水化”: 如果行星内部存在水,在高压高温下,水和岩石的相互作用会变得非常复杂。水可能会以一种我们难以理解的方式被溶解在岩石晶体结构中,形成所谓的“水合矿物”,这会进一步影响地幔的物理性质。

地核:一个无法想象的金属海洋,或许还有更奇特的相态

对于褐矮星质量的行星来说,地核的构成和状态将是最令人震撼的。

压倒性的金属成分: 尽管我们定义它是“岩质行星”,但在如此巨大的质量下,即使是行星形成时吸积的尘埃和气体,也意味着其中会包含大量的铁、镍等重元素。引力会将这些重元素不可避免地拉向行星的中心。
金属的“超临界流体”状态: 想象一下,在行星核心区域,温度可能达到数千甚至上万摄氏度,同时承受着难以想象的巨大压力。在这种条件下,即使是铁和镍,也可能不再是我们熟悉的固态或液态金属。它们可能处于一种“超临界流体”状态,既不是固体,也不是液体,而是介于两者之间,具有流体的流动性,但密度和导电性可能非常高。
强烈的磁场: 如果这个金属核心能够自由流动(即便是超临界流体),那么它极有可能产生一个极其强大的全球性磁场。这个磁场对于保护行星免受恒星风侵袭至关重要,但也可能带来我们无法想象的电磁效应。
“电子简并物质”的边缘? 这是一个非常推测性的想法,但我们不能排除在极端压力下,金属物质的电子会开始变得“简并”,也就是说,它们的运动受到量子力学效应的限制,形成类似白矮星内部物质的状态。虽然褐矮星的质量还没有到能够支撑内部电子简并以对抗引力坍缩(即成为白矮星),但其核心区域的物质密度已经远超普通行星。
分层的不确定性: 在如此极端的状态下,我们熟悉的“固态内核+液态外核”的分层模式可能会被打破。取而代之的,可能是多层密度和相态截然不同的金属流体,甚至是固体金属与高温流体交织的状态。
热源的来源: 这个核心区域的热量,除了行星形成时的残余热,还可能来自于重元素的放射性衰变(虽然这种贡献在中生代行星上已经很小)以及引力收缩产生的热量。

总结一下,这颗拥有褐矮星质量的“岩质行星”内部,将是一个我们几乎无法想象的、极端的地质环境:

地壳: 并非坚硬的板块,更像是一种高压下缓慢流动的、超塑性的物质“表皮”。
地幔: 整体处于高温高压下的“超熔融”状态,类似密度极大的“超塑流体”,存在剧烈的对流。
地核: 由密度极高的金属组成,可能处于“超临界流体”状态,拥有强大的磁场,甚至可能接近我们理解的电子简并物质的边缘。

这颗行星的内部,将是物质在极端压力和温度下所能呈现的最“活跃”和“奇特”状态的集合体,与我们熟悉的地球,甚至其他岩质行星的内部构造,将有天壤之别。它更像是一个从“行星”向“矮星”过渡的奇特天体,其内部物理条件将是天体物理学和行星科学研究中的一个精彩案例。

网友意见

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这个问题的前提不存在。宇宙中不可能诞生质量达到木星13倍以上的岩质星球,或者说,如果有一个星球有13倍木星质量以上,那么它不可能是岩质的。


先上两个宇宙元素丰度的图:


可以看出,宇宙几乎就是由氢和氦构成的,其它都是渣渣。

渣渣里,氧和碳又占了一大半,在形成星球的时候,这些原子因为相互靠近,常常会发生化学反应形成分子,而它们最大的概率是首先遇到氢原子(或氢分子),然后再遇到氢原子(或氢分子),然后又遇到氢原子(或氢分子)……总之,宇宙中最多的分子就是氢分子,最多的化合物就是水和甲烷,而水、甲烷以及稍微少一点的氨,天文学上一般叫冰。


所以,在星球形成时,主要的原料当然是氢和氦(气体),然后是比氢氦少三个数量级以上的冰,再然后才轮得到比氢氦少四个数量级以上的硅的化合物(岩石)。

地球这样的岩石星球几乎没有氢氦,是因为质量太小,又因接近太阳而温度高,引力不足以约束质量很轻的氢分子和氦原子(氢分子和氦原子的分子热运动速度高于地球的逃逸速度),所以氢氦不能被吸积到地球上,而原料中比岩石多得多的水、甲烷也因为分子量小不容易保留,所以地球上也几乎没有甲烷,水能留住完全是因为水在地球大气压下的沸点高于大气层的温度,水主要以液态形式存在,只有微量的水分子能上升到大气层顶逃逸。

但一个比地球大得多的星球,其引力就完全能够吸积氢氦。木星的岩质及铁质内核,大概只有12个地球质量,却吸积了306个地球质量的气体(总质量318倍地球),而这种吸积能力并非随质量增加而线性增长,可能是指数增长的,一个13倍木星质量,也就是4134倍地球质量的岩质内核能吸积多少气体?往少说也会是一颗红矮星(80倍木星质量以上),更大可能是接近太阳质量——1000倍木星质量。

这样的星球,那就是一颗标准的恒星了。

即使13倍木星质量不是指岩石核心质量,而是整个星球质量,那么它也会有98%左右的氢氦,它会是一颗临界褐矮星(在其内部会引发氘聚变)。


至于题主所说的:“假设它周围轻质气体很少”,我实在想象不出,宇宙中有什么机制能创造出一个几乎没有气体却有4000多地球质量的岩石的区域。

难道,在一个气体已经消散的区域,让4000多个地球撞在一起?


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最后,以(反)科学的名义,我们还是要强行制造一个13倍木星质量的岩石星球。

那么这个星球内核是什么样的呢?

我们先看看木星内核是什么样的,维基百科上是这么说的:

行星模型认为在行星形成的历史上,木星至少有一段时间有个够大的岩石或冰的核心,才可以从原始太阳星云收集到足够大量的氢和氦。假设它确实存在,它可能因为现存的热液态金属氢与地幔混合的对流而萎缩,并且熔融在行星内部的较上层。核心现在可能完全消失,但由于重力测量仍不够精确,还不能完全排除这种可能性[37][40]

这只是一个318倍地球质量的气巨星的内核,对流可能就会使核心消失。因为在木星这种质量的星球核心部分,其温度(高于36000K)会使任何物质都成为流体(不一定是我们平时所理解的液体或气体,其具体形态目前尚未研究清楚),并且越往内部越热,从而引发对流。

一个4134倍地球质量的星球核心温度有多高呢?我们知道,这个质量的星球如果是气体星球,就会引发氘聚变,成为褐矮星,而氘聚变的温度下限是一百万度。

一百万度已经超过了化学的能标,在这个温度下是不存在化学的,没有任何化合物,当然也就不存在硅酸盐。连完整的原子都不能存在,因此,这个星球的内部是等离子态的——主要由氧、硅、镁、铝、钠、钾、钙等元素离子和自由电子组成。

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