行星可以有多大？

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木星是太阳系的大块头，它的质量是太阳系内其他所有行星总和的2.5倍，拥有近70颗卫星……问题来了，那宇宙中最大的行星可以多大？天文学家近期发布了一个最新的解释。来自约翰霍普金斯大学的天文学家带来了一个更好的分类方式：一个不是单纯按照质量区分行星和棕矮星的方式，而是要考虑这个天体是如何形成和维持的。《天体物理学报》最新刊登了凯文·施劳夫曼用于区分巨型气体行星和棕矮星的新标准。

通常质量越小的恒星温度越低。虽然有很多质量低于太阳的恒星仍然能够持续进行热核聚变，但如果是较低的初始质量很多原恒星无法演化为恒星。这些“失败”的恒星就是我们通常理解的“棕矮星”，目前的分类标准将它们的质量范围定义在木星质量的7-75倍。上图是艺术概念图：地球、木星、棕矮星、低质量恒星和太阳。

Credit: NASA/JPL-Caltech/UCB

施劳夫曼是约翰霍普金斯大学物理和天文学院的助理教授。他抛出的最大行星质量范围是木星的4-10倍，超过这个标准将是棕矮星。施劳夫曼表示“行星质量的上限一直都不明确”。他的做法是实实在在的观测太阳系外的恒星系统，他通过研究146个太阳系外恒星系统，更清楚的了解到棕矮星和行星的形成。

上图木星的照片，展示出它标志性的风暴系统。根据上述最新的分类标准，如果当它形成的时候质量超过现在10倍，那它就是一个棕矮星。Credit: Gemini

在我们关注分类的标准前，我们应该首先研究恒星系统的形成。比如我们的太阳系形成于气体和尘埃云。在恒星系统的最初时期，一个或多个恒星是物质在引力下崩塌发生核聚变形成的。其他的气体和尘埃形成行星或棕矮星。这是极简版的恒星系统形成机制。

在我们的太阳系，仅有一个恒星，巨型气体行星包括木星和土星聚集了其余大部分物质，其中木星是最大的赢家。但如果木星在形成之初能够聚集更多物质会怎样？根据施劳夫曼的标准，它如果质量达到现有的10倍，它将变成一颗棕矮星。然而，施劳夫曼的新标准不止于此。

金属丰度和化学构成

质量仅仅是一部分因素，还包括恒星的金属丰度等其他的因素，天文学家认为恒星不仅有氢和氦，它有下至锂上至其他周期表中更重的金属元素，并且这些金属元素也是岩石行星的来源。早期宇宙仅有氢和氦，连周期表相邻的锂和铍也没有，所以第一代的恒星也同样没有金属。

上图是M80，一个古老的球状星团，它形成于早期宇宙，金属丰度非常低，这意味着像木星这样的巨型气体行星很少甚至没有，而棕矮星非常多。Credit: NASA/The Hubble Heritage Team

现今，宇宙大爆炸后的135亿年，像我们太阳这样的年轻恒星有更多的金属，这是因为一代一代的恒星诞生到走向终结，产生了恒星系统中金属元素。我们的太阳诞生于50亿年前，大多数金属物质源于诞生的时候，除了氢和氦，有大约2%的物质是氧、碳、氖和铁。在判断天体是巨型气体行星还是棕矮星的时候，可以参考系统中恒星的特性，恒星金属丰度一定程度上反映了围绕它运行的天体特性。像木星这样的巨型气体行星通常出现在金属丰度像太阳系这样的或更高的恒星系统。但棕矮星会出现在任何恒星系统中，为什么呢？

形成机制不同

像木星这样的行星形成于吸积作用。首先是形成一个岩石核心，逐步吸积周围的气体，渐渐地就形成了巨型气体行星。但是棕矮星并不是这样的，它的形成过程类似于恒星，只是没有达到引发核聚变，并不依赖于岩石核心，也就是金属丰度无关要紧。回到施劳夫曼的标准，也就是质量大于木星的10倍，不管是否有岩石核心。

不同分类意味着什么

让我们来看看冥王星。2006年，国际天文联合会将冥王星定义为矮行星。确立了行星的定义需要符合以下3个标准：1.它必须围绕恒星系统的恒星运行；2.它的质量必须足够大到实现流体静力平衡(也就是近似的球形)；3.它必须清除了轨道周围的物体。更多的观测数据表明冥王星不符合第三条标准，它仅仅是一颗矮行星。

上图是新视野号拍摄的矮行星冥王星的强化后影像。Credit: NASA/JHUAPL/SwRI

这些分类标准非常重要，它是我们理解宇宙的理论基础。同样的施劳夫曼关于巨型气体行星和棕矮星的分类也有人会质疑，那就让争论进行下去，这会引领我们前进。