问题

气态行星内部到底是什么?

回答
关于气态巨行星(如木星和土星)的内部究竟是何模样,这是一个科学家们一直以来都在努力解开的谜团,因为我们无法直接钻探到它们的深处去一探究竟。但凭借着对物理学的深刻理解、对其他天体的观测数据以及先进的计算机模型,我们已经勾勒出了一个相当清晰但又充满奇妙景象的内部结构。

首先,要明白气态巨行星并非真的由“气体”填满。我们看到的天空中那团团白云状的物质,其实只是它们极薄的大气层。随着深度的增加,压力和温度会急剧上升,物质的状态也会发生翻天覆地的变化。

大气层:风暴肆虐的序幕

我们通常说的气态行星,其大部分质量都集中在厚重的大气层中。木星和土星的大气层主要由氢和氦组成,就像它们的形成之初一样。这些气体并非均匀分布,而是存在着剧烈的风暴和带状结构。木星的大红斑就是一个持续了数百年的巨大反气旋风暴,比地球还要大上几倍。风速可以达到每小时数百公里,这是我们地球上任何风暴都无法比拟的。

这些大气层的温度和压力也随着深度增加而变化。在我们可以观测到的顶部,温度非常低,但也足以形成我们看到的各种云层。越往下,温度和压力就越高。

液态金属氢:巨行星的“血液”

继续深入,我们会遇到一个极为奇特的状态——液态金属氢。这是气态巨行星内部最主要的组成部分。在地球上,氢通常是以气态存在,即使在高压下也难以变成液态。但到了木星或土星内部,巨大的引力将整个行星压得紧紧的,导致氢的分子结构被压缩到极致。

当氢分子被压缩到一定程度后,其电子就会脱离原子核的束缚,在整个物质中自由移动,就像金属中的自由电子一样。这时,氢就变成了一种导电的液体,我们称之为“液态金属氢”。

这种液态金属氢的性质非常特别。它既有液体的流动性,又能导电。这在行星内部扮演着至关重要的角色。首先,正是这种导电的液态金属氢的流动,在行星内部产生了强大的磁场。木星的磁场是地球磁场的数千倍,它形成了一个巨大的磁层,能够包裹住整个行星,并捕捉太阳风中的带电粒子,形成绚丽的极光。

其次,液态金属氢的对流也驱动着行星内部的能量传输,这可能与我们观测到的行星表面的风暴和热量输出有关。

核心:一个未解之谜

再往下,我们来到行星的中心——核心。关于气态巨行星核心的性质,科学界仍然存在一些争论。

一种主流的观点认为,气态巨行星的核心是由固态物质组成的,主要是岩石和冰(也就是氢和氦以外的较重元素,如水、甲烷、氨等)。这个核心的大小和密度,以及它是否是完全固态还是包含熔融物质,仍然是研究的重点。

考虑到行星形成的早期情况,这些较重的元素可能在行星形成过程中聚集在中心,并被周围的氢和氦“包裹”起来。它们的质量可能占行星总质量的百分比不大,但由于密度远大于氢和氦,它们在地心引力的作用下,被压缩得非常致密。

另一种可能性是,随着行星内部压力的巨大增长,即使是岩石和冰,也可能以一种我们难以想象的、非晶态的、类似于“超临界流体”的状态存在,而不是我们通常理解的坚硬的固态。

其他可能性:奇异的物质状态

除了液态金属氢,科学家们也一直在探索在极端压力下,氢是否存在其他更为奇特的物态。例如,在比液态金属氢更深、压力更高的区域,氢可能进一步被压缩,甚至可能转变为一种类似金属固体的状态。这是一种理论上的猜想,目前还没有直接的证据能够证实或证伪。

总结一下,气态巨行星的内部,是一个层层递进、物质状态不断变化的奇妙世界:

外层大气: 由氢和氦组成,存在剧烈的风暴和云层。
深层大气/液态金属氢层: 氢被压缩成具有导电性的液态金属氢,这是行星磁场的来源。
核心: 由岩石和冰组成,可能被极端高压压缩成致密的固态或类似流体的状态。

我们对气态行星内部的理解,很大程度上依赖于理论计算和对太阳系其他行星(如地球、金星)内部结构的类比,以及对这些行星发出的电磁辐射的分析。未来的太空探测任务,例如对木星和土星及其卫星的更深入研究,将有助于我们进一步揭开这些巨大星球内部的神秘面纱,让我们更接近这个宇宙中最令人着迷的未知领域。

网友意见

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气体巨行星形成不是因为“温度不高不利于岩石凝聚”,不如说是类地行星所在区域因为温度高和恒星风相对强,容易把氢、氦、甲烷等气体或者说挥发物给蒸发逃逸到太空,然后被恒星风(质子和电子流)给吹走。关于气体巨行星内部,以木星为例:传统观点认为内核是岩石和金属氢、液态氢、氦构成。如果你坠入气体巨行星,而且能承受难以想象的高压、高温(可能高达50000摄氏度,比太阳表面还热),那可能会看到一望无际的液态金属氢、氦的海洋(在超高压下不会沸腾,如同高压锅,金属氢有液态形式也有固态形式)。注意这些只是推测,毕竟没有探测器能抵达木星深处,所以下面图里的木星内部结构推测模型有差异。

NASA官方对木星的介绍

Structure

The composition of Jupiter is similar to that of the sun — mostly hydrogen and helium. Deep in the atmosphere, pressure and temperature increase, compressing the hydrogen gas into a liquid. This gives Jupiter the largest ocean in the solar system — an ocean made of hydrogen instead of water. Scientists think that, at depths perhaps halfway to the planet's center, the pressure becomes so great that electrons are squeezed off the hydrogen atoms, making the liquid electrically conducting like metal. Jupiter's fast rotation is thought to drive electrical currents in this region, generating the planet's powerful magnetic field. It is still unclear if, deeper down, Jupiter has a central core of solid material or if it may be a thick, super-hot and dense soup. It could be up to 90,032 degrees Fahrenheit (50,000 degrees Celsius) down there, made mostly of iron and silicate minerals (similar to quartz).


更多NASA官方木星图片可去上面这个网站找


有很多人疑惑木星内部巨大的压力和高温会不会点燃氢的核聚变?答案是不可能,要让氢开始质子链核聚变反应的条件非常的苛刻,木星内部的压力和温度远远不够点燃氢。有一种介于气体巨行星和恒星之间的天体叫褐矮星(Brown dwarf),质量通常为木星的20-75倍,和气体巨行星最大的不同是因为其内部压力更大、温度更高已经能点燃要求相对低得多氘、锂7核聚变了,然而还是不够点燃氢本身。所以褐矮星输出的能量跟恒星的质子链聚变反应相比还是很弱。木星的质量得大80倍左右才能成为一颗真正的恒星,还是最小的M级红矮星,当然红矮星能保持主序星状态稳定燃烧一万亿年以上,比太阳这样的G级黄矮星长寿多了。


有人想通过往木星上狂扔氢弹能否点燃木星上的氢?事实上木星也是身经百战了——木星巨大的引力经常俘获小行星、彗星,导致猛烈的撞击,人类的核武器在这些撞击释放的能量前简直是小儿科。以1993年3月24日苏梅克-列维9号(Shoemaker-Levy 9)彗星撞击木星事件为例,苏梅克-列维9号彗星所有碎片撞击木星产生的能量总和大约相当于60万亿吨TNT(6,000,000 megatons)当量!!!相当于全球核武器当量的600倍!!!撞击产生的冲击波范围比地球还大!!!请参见下面3张图

这么猛烈的撞击都没点燃木星上的氢聚变,所以人类无能为力。

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