Планета - гигант — это планета разнообразного типа, намного больше Земли. Обычно они состоят в основном из материалов с низкой температурой кипения ( летучих веществ ), а не из камня или другого твердого вещества, но могут существовать и массивные твердые планеты . В Солнечной системе известны четыре планеты-гиганта : Юпитер , Сатурн , Уран и Нептун . Многие внесолнечные планеты-гиганты были идентифицированы как вращающиеся вокруг других звезд .
Их также иногда называют планетами-гигантами в честь Юпитера ( Юпитер — другое имя римского бога Юпитера ). Их также иногда называют газовыми гигантами . Однако многие астрономы сейчас применяют последний термин только к Юпитеру и Сатурну, относя Уран и Нептун, имеющие разный состав, к ледяным гигантам . [1] Оба названия потенциально вводят в заблуждение: все планеты-гиганты состоят в основном из жидкостей выше их критических точек , где не существует отдельных газовых и жидких фаз. Основными компонентами являются водород и гелий в случае Юпитера и Сатурна, а также вода , аммиак и метан в случае Урана и Нептуна.
Обсуждаются определяющие различия между коричневым карликом с очень малой массой и массивным газовым гигантом ( ~ 13 МДж ) . Одна школа мысли основана на формации; другой — о физике внутренних дел. Часть споров касается того, должны ли коричневые карлики по определению испытывать ядерный синтез в какой-то момент своей истории. [2]
Термин «газовый гигант» был придуман в 1952 году писателем-фантастом Джеймсом Блишом и первоначально использовался для обозначения всех планет-гигантов. Возможно, это неправильное название, поскольку на большей части объема этих планет давление настолько велико, что материя не находится в газообразной форме. [3] За исключением верхних слоев атмосферы, [4] вся материя, вероятно, находится за пределами критической точки , где нет различия между жидкостями и газами. «Жидкая планета» была бы более точным термином. Около центра Юпитера также имеется металлический водород , но большую часть его объема составляют водород, гелий и следы других газов выше их критических точек. Наблюдаемые атмосферы всех этих планет (менее единицы оптической глубины ) довольно тонкие по сравнению с их радиусами и простираются лишь на один процент пути к центру. Таким образом, наблюдаемые части являются газообразными (в отличие от Марса и Земли, имеющих газовую атмосферу, сквозь которую можно увидеть кору).
Этот довольно вводящий в заблуждение термин прижился, потому что ученые-планетологи обычно используют камень , газ и лед в качестве сокращений для классов элементов и соединений, обычно встречающихся в составе планет, независимо от фазы вещества . Во внешней Солнечной системе водород и гелий называются газом ; вода, метан и аммиак в виде льда ; и силикаты и металлы как горные породы . Когда мы рассматриваем глубокие недра планет, можно сказать, что под льдом астрономы подразумевают кислород и углерод , под камнем — кремний , а под газом — водород и гелий. Множество различий между Ураном и Нептуном и Юпитером и Сатурном привело к тому, что некоторые стали использовать этот термин только для планет, подобных двум последним. Помня об этой терминологии, некоторые астрономы начали называть Уран и Нептун ледяными гигантами , чтобы указать на преобладание льдов ( в жидкой форме) в их внутреннем составе. [5]
Альтернативный термин «планета-Юпитер» относится к римскому богу Юпитеру (родительный падеж которого — Йовис , следовательно, Юпитер ) и был предназначен для обозначения того, что все эти планеты были подобны Юпитеру.
Объекты, достаточно большие, чтобы начать синтез дейтерия (более 13 масс Юпитера для солнечного состава), называются коричневыми карликами , и они занимают диапазон масс между массами больших планет-гигантов и звезд с наименьшей массой . Обрезание массы 13 Юпитера ( MJ ) — это скорее эмпирическое правило, чем нечто, имеющее точное физическое значение . Более крупные объекты сожгут большую часть своего дейтерия, а более мелкие — лишь немного, а значение 13 МДж находится где-то посередине. [6] Количество сожженного дейтерия зависит не только от массы, но и от состава планеты, особенно от количества присутствующего гелия и дейтерия. [7] Энциклопедия внесолнечных планет включает объекты массой до 60 Юпитера, а Exoplanet Data Explorer — до 24 масс Юпитера. [8] [9]
Планета-гигант — это массивная планета с плотной атмосферой из водорода и гелия . Они могут иметь плотное расплавленное ядро из каменистых элементов или же ядро может полностью раствориться и рассеяться по планете, если планета достаточно горячая. [10] На «традиционных» планетах-гигантах, таких как Юпитер и Сатурн (газовые гиганты), 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 , поэтому их все чаще называют « ледяными гигантами ».
Внесолнечные планеты-гиганты, вращающиеся 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 планет-гигантов отсутствуют твердые поверхности, но правильнее сказать, что у них вообще нет поверхностей, поскольку образующие их газы просто становятся все тоньше и тоньше по мере удаления от центров планет, в конечном итоге становясь неотличимыми от межпланетной среды. Следовательно, посадка на планету-гигант может оказаться возможной, а может и 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 , содержат более тяжелые элементы, составляющие от 3 до 13 процентов их массы. [11] Газовые гиганты, как полагают, состоят из внешнего слоя молекулярного водорода , окружающего слой жидкого металлического водорода , с вероятным расплавленным ядром каменистого состава.
Самая дальняя часть водородной атмосферы Юпитера и Сатурна имеет множество слоев видимых облаков, которые в основном состоят из воды и аммиака. Слой металлического водорода составляет основную часть каждой планеты и называется «металлическим», потому что очень высокое давление превращает водород в электрический проводник. Считается, 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 примерно до 80% (Уран) или 85% (Нептун) их радиуса. Ниже этого уровня они преимущественно «ледяные», т.е. состоят в основном из воды, метана и аммиака. Также есть немного камня и газа, но различные пропорции льда-камни-газа могут имитировать чистый лед, поэтому точные пропорции неизвестны. [12]
Уран и Нептун имеют очень туманные атмосферные слои с небольшим количеством метана, что придает им аквамариновый цвет; светло-голубой и ультрамарин соответственно. Оба имеют магнитные поля, резко наклоненные к их осям вращения.
В отличие от других планет-гигантов, Уран имеет сильный наклон, из-за которого времена года на нем 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 в целом он менее массивен. Таким образом, Нептун плотнее, 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.
Могут существовать и массивные твердые планеты .
Твердые планеты массой до тысяч земных могут образовываться вокруг массивных звезд ( звезд B-типа и О-типа ; 5–120 солнечных масс), где протопланетный диск будет содержать достаточно тяжелых элементов. Кроме того, эти звезды имеют сильное УФ-излучение и ветры , которые могут фотоиспарять газ в диске, оставляя только тяжелые элементы. Для сравнения, масса Нептуна равна 17 массам Земли, Юпитер имеет 318 масс Земли, а предел массы Юпитера в 13 единиц, используемый в рабочем определении экзопланеты МАС, равен примерно 4000 масс Земли . [13]
Суперпуф — это тип экзопланеты с массой всего в несколько раз большей, чем у Земли , но с радиусом, превышающим Нептун , что придает ей очень низкую среднюю плотность . Они холоднее и менее массивны, чем надутые горячие юпитеры низкой плотности . Наиболее экстремальными известными примерами являются три планеты вокруг Кеплера-51 , все они размером с Юпитер , но с плотностью ниже 0,1 г/см 3 . [14]
Из-за ограниченности методов, доступных в настоящее время для обнаружения экзопланет , многие из обнаруженных на сегодняшний день планет имеют размер, сравнимый 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 «планета-гигант» — более точный термин для них. Многие из экзопланет расположены намного ближе к своим родительским звездам и, следовательно, намного горячее, чем планеты-гиганты Солнечной системы, что позволяет предположить, что некоторые из этих планет относятся к типу, не наблюдаемому в Солнечной системе. Учитывая относительное содержание элементов во Вселенной (около 98% водорода и гелия), было бы удивительно обнаружить преимущественно каменистую планету, более массивную, чем Юпитер. С другой стороны, модели формирования планетных систем предполагают, что планетам-гигантам будет запрещено формироваться настолько близко к своим звездам, насколько многие из внесолнечных планет-гигантов, как наблюдалось, обращались по орбитам.
Полосы, видимые в атмосфере Юпитера, возникают из-за встречно циркулирующих потоков материала, называемых зонами и поясами, окружающих планету параллельно ее экватору. Зоны представляют собой более светлые полосы и находятся на больших высотах в атмосфере. Они имеют внутренний восходящий поток и представляют собой регионы высокого давления. Пояса представляют собой более темные полосы, находятся ниже в атмосфере и имеют внутренний нисходящий поток. Это регионы низкого давления. Эти структуры в чем-то аналогичны ячейкам высокого и низкого давления в атмосфере Земли, но они имеют совершенно другую структуру — широтные полосы, окружающие всю планету, в отличие от небольших замкнутых ячеек давления. Похоже, это результат быстрого вращения и лежащей в основе симметрии планеты. Здесь нет океанов или суши, которые могли бы вызвать местное нагревание, а скорость вращения намного выше, чем у Земли.
Есть и более мелкие структуры: пятна разного размера и цвета. На Юпитере наиболее заметной из этих особенностей является Большое Красное Пятно , существующее уже не менее 300 лет. Эти структуры представляют собой огромные штормы. Некоторые из таких пятен также являются грозовыми.
