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什么因素决定天体性质?太阳、木星地球压到3CM,固态还是气态?

如果把太阳、木星和地球缩小为直径3厘米的球体,那摸起来是固态还是气态?

太阳是一颗G型光谱的黄矮星,木星是一颗巨型气态行星,而地球则是迄今为止宇宙中唯一的生命星球,假如将它们都压缩成3厘米直径的球体,会变成什么样呢?

一、什么特性决定了天体的性质?

上述三个天体:太阳、木星与地球,包含了天体诞生时候的三个主要发展可能,太阳是恒星,木星是气态行星,而地球则是岩石质行星,那么是天体的什么特性决定了天体的未来的发展方向呢?

质量是决定天体性质的唯一标准

无论是恒星还是气态行星或者岩石质行星,其诞生时无一例外都是岩石质天体,但在其发展过程中有几个阶段:

1、岩石质天体阶段

这个阶段三种天体的起点,因为天体的发展需要一个质心!在太空微重力条件下,一颗小行星天体即可成为某个天体的核心,只要星际物质比如其他小行星等密度够高,那么这个天体就会逐渐成长,慢慢成长为一颗行星!

行星的标准:能够清理自身轨道,冥王星不行附近的柯伊伯带,它无法自行清理,因此它被剔除出了行星行列!

为什么土星的光环中小行星密度那么高,不能形成行星?因为这个位置在土星的洛希极限内,天体会被土星的潮汐引力撕碎,最终慢慢掉入土星,土星光环可能会在数亿年-十亿年后消失!

2、气态行星阶段

当岩石质天体的质量增加方式有几种,主要方式有引力捕获与碰撞,前者需要质量扭曲的梯度空间来背书,而后者不需要,因此岩石质天体的门槛是很低的!但气态行星只有一条路,引力捕获气体,这需要天体的质量增加到一定程度以上!

上图是氢分子与氧分子在27℃时的平均运动速度,大家肯定会发现这速度远小于地球的逃逸速度11.2KM/S,它们会留在地球上?氢分子不会,而氧分子会,因为密度比较小的氢分子会达到大气高层,在阳光和高能粒子的轰击下,很轻松就会脱离地球引力的舒服而逃逸,但氧分子相对密度比较大,留在大气低层,非常不容易被轰击逃离!

但当行星质量产生的逃逸速度远超氢分子的热运动逃逸速度后,这些气体就老老实实的呆在行星表面了,而此时大量增加的物质与气体又会赋予行星更大的逃逸速度,未来的走向就是气态行星!因为诞生恒星系的气体云中氢元素丰度比任何一种元素都要高!

3、恒星阶段

随着行星质量的增加,其内核的引力坍缩能加热机制会让内核温度急剧升高,当达到氢元素聚变所需要的温度与压力时,恒星即开始诞生!

从三种气体的形成过程来看,气态行星是一个关键的过渡阶段,如果此时有足够的星云物质,那么木星也许有可能成长为太阳系中第二颗恒星,也许会太阳形成伴星,但此时行星会受到两颗太阳光的辐射,也许很难诞生生命!

二、决定天体性质的另一个要素:密度

很多恒星的质量都远超黑洞,为什么它们没有坍缩为黑洞?因为在内核聚变处存在向外的辐射压,这个辐射压是平衡恒星的关键要素,如果一颗恒星超过爱丁顿极限,那么其辐射压超强,超强的恒星风会导致恒星物质大量流失!但如果恒星失去辐射压,那么内核将在没有辐射压支撑的条件下坍缩为白矮星、中子星甚至黑洞,而三者的唯一标准仍然是质量!

为什么还说决定天体的另一个要素是密度?因为我们要讨论的问题是将三个天体压缩为3CM直径的小球球时它们的特性,此时就需要密度来形容他们的特性,因为这些天体除了太阳外都不能自行坍缩!

1、以太阳的标准只能坍缩到白矮星,但很明显3CM远小于太阳白矮星的直径,那么它够标准黑洞吗?

将各参数代入上述史瓦希半径计算公式,计算得太阳如果要坍缩为黑洞的话其质量不变,半径需要压缩到2.95千米以内!3CM直径已经远小于史瓦希半径,因此3CM的太阳是一个黑洞!

2、木星也可以参考太阳的方式计算下,其史瓦希半径为2.82M,即当木星被压缩到2.82M半径以下时,木星将直接坍缩为黑洞,因此3CM的木星也是一个黑洞!

3、地球的史瓦希半径为0.00885M,也就是8.85毫米,3CM=30MM,大约是坍缩为黑洞直径的2倍少一点,因此此时的地球是一颗中子星状态物质!

当三个天体压缩为3CM时,太阳与木星都无可避免的成为了黑洞,而地球成为中子星,前者已经不能气态或者固态来形容,因为它是一个没尺寸的点,对外唯一的表现形式是引力!而中子星仍然属于固态,至少在表面是这样!

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