Гигантская планета , иногда называемая планетой-гигантом ( Юпитер — другое имя римского бога Юпитера ), — это разнообразный тип планет , намного больше Земли. Гигантские планеты обычно в основном состоят из низкокипящих материалов ( летучих веществ ), а не из камня или другого твердого вещества, но могут существовать и массивные твердые планеты . В Солнечной системе есть четыре таких планеты : Юпитер , Сатурн , Уран и Нептун . Было обнаружено множество экзопланет- гигантов.
Гигантские планеты иногда называют газовыми гигантами , но многие астрономы теперь применяют этот термин только к Юпитеру и Сатурну, классифицируя Уран и Нептун, которые имеют разный состав, как ледяных гигантов . Оба названия потенциально вводят в заблуждение; все гигантские планеты Солнечной системы в основном состоят из жидкостей выше своих критических точек , где не существует отдельных газовых и жидких фаз. Юпитер и Сатурн в основном состоят из водорода и гелия , в то время как Уран и Нептун состоят из воды, аммиака и метана .
Обсуждаются определяющие различия между коричневым карликом с очень малой массой и массивным газовым гигантом ( ~13 MJ ) . Одна школа мысли основана на формировании планет; другая — на физике внутренней части планет. Часть дебатов касается того, должны ли коричневые карлики, по определению, испытывать ядерный синтез в какой-то момент своей истории. [1]
Термин «газовый гигант» был придуман в 1952 году писателем-фантастом Джеймсом Блишом и изначально использовался для обозначения всех планет-гигантов. Возможно, это не совсем правильное название, поскольку в большей части объема этих планет давление настолько велико, что материя не находится в газообразной форме. [2] За исключением верхних слоев атмосферы, [3] вся материя, вероятно, находится за критической точкой , где нет различия между жидкостями и газами. Жидкая планета был бы более точным термином. У Юпитера также есть металлический водород вблизи его центра, но большая часть его объема состоит из водорода, гелия и следов других газов выше их критических точек. Наблюдаемые атмосферы всех этих планет (менее единицы оптической глубины ) довольно тонкие по сравнению с их радиусами, простираясь, возможно, только на один процент пути к центру. Таким образом, наблюдаемые части являются газообразными (в отличие от Марса и Земли, которые имеют газообразные атмосферы, через которые можно увидеть кору).
Довольно вводящий в заблуждение термин прижился, потому что планетологи обычно используют скалу , газ и лед в качестве сокращений для классов элементов и соединений, обычно встречающихся в качестве планетарных компонентов, независимо от фазы вещества . Во внешней Солнечной системе водород и гелий называются газом ; вода, метан и аммиак - льдом ; а силикаты и металлы - скалой . Когда рассматриваются глубокие недра планет, можно не так уж далеко зайти от того, чтобы сказать, что под льдом астрономы подразумевают кислород и углерод , под скалой - кремний , а под газом - водород и гелий. Многочисленные отличия Урана и Нептуна от Юпитера и Сатурна привели к тому, что некоторые стали использовать этот термин только для планет, похожих на последние две. Имея в виду эту терминологию, некоторые астрономы начали называть Уран и Нептун ледяными гигантами , чтобы указать на преобладание льдов ( в жидкой форме) в их внутреннем составе. [4]
Альтернативный термин «планета-гигант» относится к римскому богу Юпитеру (родительный падеж имени — Jovis , отсюда и «Jovian» ) и призван указать, что все эти планеты похожи на Юпитер.
Объекты, достаточно большие, чтобы начать дейтериевый синтез (более 13 масс Юпитера для солнечного состава), называются коричневыми карликами , и они занимают диапазон масс между массами больших гигантских планет и звезд с наименьшей массой . Порог в 13 масс Юпитера ( МДж ) является скорее эмпирическим правилом, чем чем-то, имеющим точное физическое значение. Более крупные объекты будут сжигать большую часть своего дейтерия, а более мелкие будут сжигать только немного, и значение 13 МДж находится где-то посередине. [5] Количество сожженного дейтерия зависит не только от массы, но и от состава планеты, особенно от количества присутствующего гелия и дейтерия. [6] Энциклопедия внесолнечных планет включает объекты массой до 60 масс Юпитера, а Exoplanet Data Explorer — до 24 масс Юпитера. [7] [8]
Гигантская планета — это массивная планета с плотной атмосферой из водорода и гелия . Они могут иметь конденсированное «ядро» из более тяжелых элементов, поступивших в процессе формирования. [9] Это ядро может быть частично или полностью растворено и рассеяно по всей водородно-гелиевой оболочке. [10] [9] В «традиционных» гигантских планетах, таких как Юпитер и Сатурн (газовых гигантах), водород и гелий составляют большую часть массы планеты, тогда как на Уране и Нептуне они составляют только внешнюю оболочку , которые вместо этого в основном состоят из воды , аммиака и метана и поэтому все чаще называются « ледяными гигантами ».
Внесолнечные гигантские планеты, которые вращаются очень близко к своим звездам, являются экзопланетами , которые легче всего обнаружить. Их называют горячими юпитерами и горячими нептунами, потому что у них очень высокая температура поверхности. Горячие юпитеры были, до появления космических телескопов, наиболее распространенной формой известных экзопланет из-за относительной простоты их обнаружения с помощью наземных инструментов.
Обычно говорят, что у гигантских планет нет твердой поверхности, но точнее было бы сказать, что у них вообще нет поверхности, поскольку газы, которые их образуют, просто становятся все тоньше и тоньше по мере удаления от центров планет, в конечном итоге становясь неотличимыми от межпланетной среды. Поэтому посадка на гигантскую планету может быть или не быть возможной, в зависимости от размера и состава ее ядра.
Газовые гиганты состоят в основном из водорода и гелия. Газовые гиганты Солнечной системы, Юпитер и Сатурн , имеют более тяжелые элементы, составляющие от 3 до 13 процентов их массы. [11] Считается, что газовые гиганты состоят из внешнего слоя молекулярного водорода , окружающего слой жидкого металлического водорода , с вероятным расплавленным ядром с каменистым составом.
Внешняя часть водородной атмосферы Юпитера и Сатурна имеет много слоев видимых облаков, которые в основном состоят из воды и аммиака. Слой металлического водорода составляет большую часть каждой планеты и называется «металлическим», потому что очень высокое давление превращает водород в электрический проводник. Предполагается, что ядро состоит из более тяжелых элементов при таких высоких температурах (20 000 К) и давлениях, что их свойства плохо изучены. [11]
Ледяные гиганты имеют совершенно другой внутренний состав, чем газовые гиганты. Ледяные гиганты Солнечной системы, Уран и Нептун , имеют богатую водородом атмосферу, которая простирается от вершин облаков до примерно 80% (Уран) или 85% (Нептун) их радиуса. Ниже этого они преимущественно «ледяные», т.е. состоят в основном из воды, метана и аммиака. Также есть немного камня и газа, но различные пропорции льда, камня и газа могут имитировать чистый лед, так что точные пропорции неизвестны. [12]
Уран и Нептун имеют очень туманные атмосферные слои с небольшим количеством метана, что придает им светло-аквамариновые цвета. Оба имеют магнитные поля, которые резко наклонены к их осям вращения.
В отличие от других гигантских планет, Уран имеет экстремальный наклон, из-за которого его времена года резко выражены. У этих двух планет есть и другие тонкие, но важные различия. Уран содержит больше водорода и гелия, чем Нептун, несмотря на то, что он в целом менее массивен. Поэтому Нептун более плотный и имеет гораздо больше внутреннего тепла и более активную атмосферу. Модель Ниццы , по сути, предполагает, что Нептун сформировался ближе к Солнцу, чем Уран, и поэтому должен иметь больше тяжелых элементов.
По-видимому, также могут существовать массивные твердые планеты , хотя механизмы их формирования и распространения остаются предметом продолжающихся исследований и дискуссий.
Возможность образования твердых планет массой до тысяч масс Земли вокруг массивных звезд ( звезды B-типа и O-типа ; 5–120 солнечных масс) была предложена в некоторых более ранних исследованиях. [13] Гипотеза предполагала, что протопланетный диск вокруг таких звезд будет содержать достаточно тяжелых элементов, и что сильное ультрафиолетовое излучение и сильные ветры могут фотоиспарить газ в диске, оставив только тяжелые элементы. Для сравнения, масса Нептуна равна 17 массам Земли, у Юпитера 318 масс Земли, а предел в 13 масс Юпитера, используемый в рабочем определении экзопланеты МАС, равен приблизительно 4000 масс Земли. [ 13]
Однако важно отметить, что более поздние исследования поставили под сомнение вероятность образования массивных твердых планет вокруг очень массивных звезд (https://arxiv.org/pdf/1103.0556). Исследования показали, что отношение массы протопланетного диска к звездной массе быстро уменьшается для звезд с массой более 10 солнечных масс, падая до менее чем 10^-4. Более того, до настоящего времени не наблюдалось протопланетных дисков вокруг звезд O-типа.
Первоначальное предположение о массивных твердых планетах, формирующих около 5-120 солнечных масс звезд, представленное в более ранней литературе, не имеет существенных подтверждающих доказательств или ссылок на теории формирования планет. [13] Исследование, о котором идет речь, в первую очередь было сосредоточено на моделировании соотношений массы и радиуса для каменистых планет, включая гипотетические сверхмассивные твердые планеты, но не исследовало, действительно ли теории формирования планет поддерживают существование таких объектов. Авторы этого исследования признали, что «такие массивные экзопланеты пока не известны». [13]
Учитывая эти соображения, образование и существование массивных твердых планет вокруг очень массивных звезд остается предметом споров и требует дальнейших исследований и наблюдательных данных.
Супер -пух - это тип экзопланеты с массой всего в несколько раз больше массы Земли , но радиусом больше, чем у Нептуна , что дает ей очень низкую среднюю плотность . Они холоднее и менее массивны, чем раздутые горячие юпитеры низкой плотности . Наиболее экстремальными известными примерами являются три планеты вокруг Kepler-51 , все из которых имеют размер Юпитера , но плотность ниже 0,1 г/см3 . [ 14]
Из-за ограниченности доступных в настоящее время методов обнаружения экзопланет , многие из обнаруженных на сегодняшний день имели размер, связанный в Солнечной системе с планетами-гигантами. Поскольку предполагается, что эти большие планеты имеют больше общего с Юпитером, чем с другими планетами-гигантами, некоторые утверждают, что «юпитерианская планета» — более точный термин для них. Многие из экзопланет находятся гораздо ближе к своим родительским звездам и, следовательно, намного горячее, чем планеты-гиганты в Солнечной системе, что делает возможным, что некоторые из этих планет являются типом, не наблюдаемым в Солнечной системе. Учитывая относительное содержание элементов во Вселенной (примерно 98% водорода и гелия), было бы удивительно найти преимущественно каменистую планету, более массивную, чем Юпитер. С другой стороны, модели формирования планетных систем предполагают, что планеты-гиганты будут подавлены от формирования так близко к своим звездам, как было обнаружено, вращаясь по орбите многих из внесолнечных планет-гигантов.
Полосы, видимые в атмосфере Юпитера, обусловлены встречными циркулирующими потоками материала, называемыми зонами и поясами, опоясывающими планету параллельно ее экватору. Зоны — это более светлые полосы, которые находятся на больших высотах в атмосфере. Они имеют внутренний восходящий поток и являются областями высокого давления. Пояса — это более темные полосы, которые находятся ниже в атмосфере и имеют внутренний нисходящий поток. Это области низкого давления. Эти структуры в некоторой степени аналогичны ячейкам высокого и низкого давления в атмосфере Земли, но они имеют совершенно другую структуру — широтные полосы, которые окружают всю планету, в отличие от небольших ограниченных ячеек давления. Это, по-видимому, результат быстрого вращения и базовой симметрии планеты. Нет океанов или массивов суши, которые могли бы вызвать локальный нагрев, а скорость вращения намного выше, чем у Земли.
Существуют также более мелкие структуры: пятна разных размеров и цветов. На Юпитере наиболее заметной из этих особенностей является Большое Красное Пятно , которое существует уже не менее 300 лет. Эти структуры представляют собой огромные штормы. Некоторые из таких пятен также являются грозовыми фронтами.
