木星是太陽系的大塊頭，它的質量是太陽系內其他所有行星總和的2.5倍，擁有近70顆衛星……問題來了，那宇宙中最大的行星可以多大？天文學家近期發布了一個最新的解釋。來自約翰霍普金斯大學的天文學家帶來了一個更好的分類方式：一個不是單純按照質量區分行星和棕矮星的方式，而是要考慮這個天體是如何形成和維持的。《天體物理學報》最新刊登了凱文·施勞夫曼用于區分巨型氣體行星和棕矮星的新標準。
通常質量越小的恒星溫度越低。雖然有很多質量低于太陽的恒星仍然能夠持續進行熱核聚變，但如果是較低的初始質量很多原恒星無法演化為恒星。這些“失敗”的恒星就是我們通常理解的“棕矮星”，目前的分類標準將它們的質量范圍定義在木星質量的7-75倍。上圖是藝術概念圖：地球、木星、棕矮星、低質量恒星和太陽。
Credit: NASA/JPL-Caltech/UCB
施勞夫曼是約翰霍普金斯大學物理和天文學院的助理教授。他拋出的最大行星質量范圍是木星的4-10倍，超過這個標準將是棕矮星。施勞夫曼表示“行星質量的上限一直都不明確”。他的做法是實實在在的觀測太陽系外的恒星系統，他通過研究146個太陽系外恒星系統，更清楚的了解到棕矮星和行星的形成。
上圖木星的照片，展示出它標志性的風暴系統。根據上述最新的分類標準，如果當它形成的時候質量超過現在10倍，那它就是一個棕矮星。Credit: Gemini
在我們關注分類的標準前，我們應該首先研究恒星系統的形成。比如我們的太陽系形成于氣體和塵埃云。在恒星系統的最初時期，一個或多個恒星是物質在引力下崩塌發生核聚變形成的。其他的氣體和塵埃形成行星或棕矮星。這是極簡版的恒星系統形成機制。
在我們的太陽系，僅有一個恒星，巨型氣體行星包括木星和土星聚集了其余大部分物質，其中木星是最大的贏家。但如果木星在形成之初能夠聚集更多物質會怎樣？根據施勞夫曼的標準，它如果質量達到現有的10倍，它將變成一顆棕矮星。然而，施勞夫曼的新標準不止于此。
金屬豐度和化學構成
質量僅僅是一部分因素，還包括恒星的金屬豐度等其他的因素，天文學家認為恒星不僅有氫和氦，它有下至鋰上至其他周期表中更重的金屬元素，并且這些金屬元素也是巖石行星的來源。早期宇宙僅有氫和氦，連周期表相鄰的鋰和鈹也沒有，所以第一代的恒星也同樣沒有金屬。
上圖是M80，一個古老的球狀星團，它形成于早期宇宙，金屬豐度非常低，這意味著像木星這樣的巨型氣體行星很少甚至沒有，而棕矮星非常多。Credit: NASA/The Hubble Heritage Team
現今，宇宙大爆炸后的135億年，像我們太陽這樣的年輕恒星有更多的金屬，這是因為一代一代的恒星誕生到走向終結，產生了恒星系統中金屬元素。我們的太陽誕生于50億年前，大多數金屬物質源于誕生的時候，除了氫和氦，有大約2%的物質是氧、碳、氖和鐵。在判斷天體是巨型氣體行星還是棕矮星的時候，可以參考系統中恒星的特性，恒星金屬豐度一定程度上反映了圍繞它運行的天體特性。像木星這樣的巨型氣體行星通常出現在金屬豐度像太陽系這樣的或更高的恒星系統。但棕矮星會出現在任何恒星系統中，為什么呢？
形成機制不同
像木星這樣的行星形成于吸積作用。首先是形成一個巖石核心，逐步吸積周圍的氣體，漸漸地就形成了巨型氣體行星。但是棕矮星并不是這樣的，它的形成過程類似于恒星，只是沒有達到引發核聚變，并不依賴于巖石核心，也就是金屬豐度無關要緊。回到施勞夫曼的標準，也就是質量大于木星的10倍，不管是否有巖石核心。
不同分類意味著什么
讓我們來看看冥王星。2006年，國際天文聯合會將冥王星定義為矮行星。確立了行星的定義需要符合以下3個標準：1.它必須圍繞恒星系統的恒星運行；2.它的質量必須足夠大到實現流體靜力平衡(也就是近似的球形)；3.它必須清除了軌道周圍的物體。更多的觀測數據表明冥王星不符合第三條標準，它僅僅是一顆矮行星。
上圖是新視野號拍攝的矮行星冥王星的強化后影像。Credit: NASA/JHUAPL/SwRI
這些分類標準非常重要，它是我們理解宇宙的理論基礎。同樣的施勞夫曼關于巨型氣體行星和棕矮星的分類也有人會質疑，那就讓爭論進行下去，這會引領我們前進。
