如果把太陽、木星和地球縮小為直徑3厘米的球體,那摸起來是固態還是氣態?
太陽是一顆G型光譜的黃矮星,木星是一顆巨型氣態行星,而地球則是迄今為止宇宙中唯一的生命星球,假如將它們都壓縮成3厘米直徑的球體,會變成什么樣呢?
一、什么特性決定了天體的性質?
上述三個天體:太陽、木星與地球,包含了天體誕生時候的三個主要發展可能,太陽是恒星,木星是氣態行星,而地球則是巖石質行星,那么是天體的什么特性決定了天體的未來的發展方向呢?
質量是決定天體性質的唯一標準
無論是恒星還是氣態行星或者巖石質行星,其誕生時無一例外都是巖石質天體,但在其發展過程中有幾個階段:
1、巖石質天體階段
這個階段三種天體的起點,因為天體的發展需要一個質心!在太空微重力條件下,一顆小行星天體即可成為某個天體的核心,只要星際物質比如其他小行星等密度夠高,那么這個天體就會逐漸成長,慢慢成長為一顆行星!
行星的標準:能夠清理自身軌道,冥王星不行附近的柯伊伯帶,它無法自行清理,因此它被剔除出了行星行列!
為什么土星的光環中小行星密度那么高,不能形成行星?因為這個位置在土星的洛希極限內,天體會被土星的潮汐引力撕碎,最終慢慢掉入土星,土星光環可能會在數億年-十億年后消失!
2、氣態行星階段
當巖石質天體的質量增加方式有幾種,主要方式有引力捕獲與碰撞,前者需要質量扭曲的梯度空間來背書,而后者不需要,因此巖石質天體的門檻是很低的!但氣態行星只有一條路,引力捕獲氣體,這需要天體的質量增加到一定程度以上!
上圖是氫分子與氧分子在27℃時的平均運動速度,大家肯定會發現這速度遠小于地球的逃逸速度11.2KM/S,它們會留在地球上?氫分子不會,而氧分子會,因為密度比較小的氫分子會達到大氣高層,在陽光和高能粒子的轟擊下,很輕松就會脫離地球引力的舒服而逃逸,但氧分子相對密度比較大,留在大氣低層,非常不容易被轟擊逃離!
但當行星質量產生的逃逸速度遠超氫分子的熱運動逃逸速度后,這些氣體就老老實實的呆在行星表面了,而此時大量增加的物質與氣體又會賦予行星更大的逃逸速度,未來的走向就是氣態行星!因為誕生恒星系的氣體云中氫元素豐度比任何一種元素都要高!
3、恒星階段
隨著行星質量的增加,其內核的引力坍縮能加熱機制會讓內核溫度急劇升高,當達到氫元素聚變所需要的溫度與壓力時,恒星即開始誕生!
從三種氣體的形成過程來看,氣態行星是一個關鍵的過渡階段,如果此時有足夠的星云物質,那么木星也許有可能成長為太陽系中第二顆恒星,也許會太陽形成伴星,但此時行星會受到兩顆太陽光的輻射,也許很難誕生生命!
二、決定天體性質的另一個要素:密度
很多恒星的質量都遠超黑洞,為什么它們沒有坍縮為黑洞?因為在內核聚變處存在向外的輻射壓,這個輻射壓是平衡恒星的關鍵要素,如果一顆恒星超過愛丁頓極限,那么其輻射壓超強,超強的恒星風會導致恒星物質大量流失!但如果恒星失去輻射壓,那么內核將在沒有輻射壓支撐的條件下坍縮為白矮星、中子星甚至黑洞,而三者的唯一標準仍然是質量!
為什么還說決定天體的另一個要素是密度?因為我們要討論的問題是將三個天體壓縮為3CM直徑的小球球時它們的特性,此時就需要密度來形容他們的特性,因為這些天體除了太陽外都不能自行坍縮!
1、以太陽的標準只能坍縮到白矮星,但很明顯3CM遠小于太陽白矮星的直徑,那么它夠標準黑洞嗎?
將各參數代入上述史瓦希半徑計算公式,計算得太陽如果要坍縮為黑洞的話其質量不變,半徑需要壓縮到2.95千米以內!3CM直徑已經遠小于史瓦希半徑,因此3CM的太陽是一個黑洞!
2、木星也可以參考太陽的方式計算下,其史瓦希半徑為2.82M,即當木星被壓縮到2.82M半徑以下時,木星將直接坍縮為黑洞,因此3CM的木星也是一個黑洞!
3、地球的史瓦希半徑為0.00885M,也就是8.85毫米,3CM=30MM,大約是坍縮為黑洞直徑的2倍少一點,因此此時的地球是一顆中子星狀態物質!
當三個天體壓縮為3CM時,太陽與木星都無可避免的成為了黑洞,而地球成為中子星,前者已經不能氣態或者固態來形容,因為它是一個沒尺寸的點,對外唯一的表現形式是引力!而中子星仍然屬于固態,至少在表面是這樣!