天呐！地球居然是太阳系密度最大的天体

原创：牧夫天文

作者：Ethan Siegel

发布于Forbes宇宙大爆炸专栏

翻译：毛明远

校对：牧夫天文校对组

后期：库特莉亚芙卡，李子琦

我们太阳系内有恒星、行星、矮行星、卫星、小行星，这些天体中谁的密度最大呢？第一感觉，会觉得是大质量大体积的天体，凭借对万有引力和天体演化的理解，木星、太阳的密度会胜出？但实际上它们的密度不足地球的四分之一。

换一个角度，你可能会认为重元素较多的天体密度会更大，这样水星就是密度最大的，但事实并不是这样的。目前，已知的足够大的天体中地球是密度之王，这究竟是什么原因呢？

八大行星按照实际大小比例排列，但距离并非实际比例。

Credit: WIKIMEDIA COMMONS USER WP

密度是最简单的物质特性之一，但并不是最基础要素，它由质量和体积决定。从显微尺度到天文尺度，所有常规物质都具有一定的内在能量：我们通常所说的质量。它们同时占据了一定的空间：我们所说的体积。密度是两者的比值。

太阳系如同所有恒星系统一样诞生于恒星生成区域的气体尘埃云。45亿年前太阳系就是在引力作用下逐渐形成的。我们借助阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列(ALMA)能够直接观测研究恒星和原行星盘演化。

ALMA影像：一颗年轻的恒星HL Tauri周围是原行星盘，行星正在形成。光谱分析表明其存在大量和多种有机含碳化合物。

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

正如上图展示的，新的恒星、行星、卫星、小行星甚至外侧带(类似柯伊伯带)正在形成，我们可以看到中间的空缺，行星正在形成，它们正“清除”所在区域的尘埃和气体；我们同样可以看到，温度从中心的高温区域向外递减。

但是，我们无法看到物质是如何分布的，它们中的物质包括轻元素到重元素、简单到复杂的物质分子，甚至有机分子。这里有三个因素主导着物质如何分布。

行星大小比较：地球半径比金星大5%；但海王星半径是地球的近5倍。

Credit: LSMPASCAL OF WIKIMEDIA COMMONS

一、引力作用

由微小粒子构成的物质盘处于旋转状态，靠内侧的速度略高于外侧，引起碰撞聚集。那些已形成的稍大颗粒，或是小颗粒聚集成的稍大颗粒，它们的引力作用也会增强，吸引越来越多的颗粒。经过千百万年，行星逐渐形成了。

二、中心高温和强辐射

新生区域中心物质聚集，温度和压力逐步上升，恒星形成。在靠近恒星的周围，只有较重的元素可以留存，较轻的元素在高温和高强度辐射下裂解，因此最内侧的行星由大量金属元素构成。往外侧，有一个界限，我们太阳系这一界限内侧是岩质行星，外侧是气态行星。而且，整个恒星系统从内往外的物质分布可以看出，重元素逐步减少。

三、行星迁移

宇宙的时间尺度下，复杂的外部引力作用下行星的运行并不稳定，会发生迁移，可能撞向太阳，可能撞向其他天体，在靠近太阳时，原本的冰冻状态物质会挥发。如果太靠近恒星，恒星的“大气”会增加摩擦以致于行星的轨道不再稳定，逐渐“坠入”恒星。如今我们太阳系已形成45亿年了，我们猜测在早期发生过很多事件。

示意图展示了一个原行星盘，恒星将“吹走”附近行星大量轻元素，远处的较大质量天体比如木星和土星hold住了氢、氦等轻元素。

Credit: NAOJ

我们现在的太阳系貌似遵循着一个较为稳定的运行模式：我们有8颗行星围绕着太阳在各自椭圆轨道上做周期运行；水星是最靠近太阳的，往外分别是金星、地球、火星、小行星带、四颗气态行星（以及它们的卫星）、柯伊伯带以及奥尔特云。

如果按照元素构成，水星将是密度最高的，它拥有高比例的较重元素。即使运行到靠近太阳的小行星，外侧物质挥发后，它们的密度也不会超过水星。第二是金星，第三是地球，其后是火星，一些小行星，还有就是木星的最内侧卫星木卫一(Io)。

但是通过研究广大的太阳系外行星，我们了解到除了原始物质构成外，引力下的压缩发挥了巨大作用。如果质量小于地球的两倍，这颗行星还将是一颗岩质行星，因为更大的引力压缩作用，它拥有更高的密度。超过这一界限将会是一颗气态行星，外周气体会显著降低它的密度，因此土星就是一颗密度最低的行星。另外一个界限下，引力压缩作用又会是主导，因此土星体积是木星的85%，但质量仅是木星的1/3。如果是更大的质量，超过下一个界限，核聚变将启动，它会是一颗恒星！

月球起源的一种猜测：巨大撞击下形成岩石蒸汽“Synestia”，之后形成月球。

Credit: SARAH STEWART/UC DAVIS/NASA

如果有一颗木星一样的行星靠近太阳，它的大气将被剥去，剩下的内核将会是太阳系密度最高的天体。在行星生成阶段，高密度和重元素会趋于内核，引力压缩下它的密度会进一步增加，但是我们太阳系并不存在这样的行星。在太阳系，地球就是密度最高的天体，虽然构成它的元素整体比水星轻2-5%，但地球拥有约水星18倍的质量，更大的引力压缩作用超过了上述因素。

但地球最特别的当属它孕育着生命！我们要加倍呵护它！

『天文时刻』 牧夫出品

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8大行星密度对比

Credit: NASA