导语:在太阳系里有恒星、行星、矮行星、卫星、小行星,这些天体中谁的密度最大?初感,就会感觉是巨大的大体积的天体,凭借对万有引力和天体演化的了解,木星、太阳的密度会胜出?但是事实上,他们的密度低于地球的四分之一。

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地球是密度之王

1、地球的密度已知最大

如果换个角度,你可能会想,重元素越多的物体密度越高,那么水星就越密集,但事实并非如此。现在,在已知的足够大的天体中,地球是密度之王,这到底是什么原因?

作为物质最简单而又非最基本的物质,密度取决于物质的质量和体积。在微观尺度和天文尺度上,一切常规物质都具有某种内在能量,即我们通常所称的质量。他们同时占有一定的空间,即所谓体积。这两者的密度比。

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2、恒星的演化

在恒星形成区中,太阳系的气体尘埃云就像所有恒星系统一样产生。四十五亿年前,太阳系是在重力作用下逐渐形成的。借助于阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列(ALMA),我们可以对恒星和原行星盘的演化进行直接观测。

如上所示,新的恒星、行星、卫星、小行星甚至是外带(就像柯伊伯带一样)正在形成,我们可以看到中间有一种空缺,那就是行星正在形成,它们正“清除”所在区域的尘埃和气体;我们也会看到温度从中心的高温区向外逐渐减少。

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天体的物质分布

但我们不能知道物质如何分布,其中包括轻到重、简单到复杂的物质分子,甚至是有机分子。以下是决定物质分布的三个因素。

1、重力作用

物质圆盘是由微小颗粒组成的圆盘,靠近内部的速度稍高于外部,导致碰撞聚集。对于已经形成的稍大的颗粒,或者是小颗粒聚集在一起的小颗粒,它们的引力也会增强,吸引更多的颗粒。数千年之后,行星逐渐形成。

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2、中心温度高及强辐射

新生区域中心物质聚集,温度、压力逐渐升高,形成恒星。接近恒星的附近,只有较重的元素可以保留下来,较轻的元素在高温和高强度辐射下裂解,所以最内侧的行星由许多金属元素组成。向外,有个边界,我们太阳系的这个边界内是岩石行星,在外部是气体行星。并且,从内部到外部,整个恒星系统的物质分布显示重元素逐渐减少。

3、行星的迁移

在宇宙时标中,行星在复杂的外力作用下运行并不稳定,会迁移,有可能撞向太阳,也有可能撞向其他天体,在接近太阳时,原来的冰冻状态物质会挥发。若离恒星过近,恒星的「大气」就会增加摩擦,以致行星的轨道不再稳定,逐渐落入恒星。现在的太阳系已经形成了45亿年,我们推测早期发生了许多事件。

目前,我们的太阳系似乎遵循着一种更稳定的运行模式:我们有8颗行星,绕着太阳绕着自己的椭圆轨道运行;水星距离最近,向外分别是金星、地球、火星、小行星带、四个气体行星(及其卫星)、柯伊伯带和奥尔特云。

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不同的划分密度也不同

1、元素组成

按元素组成,水星的密度最大,它具有很高的重元素比例。即便在靠近太阳的小行星上,外部物质挥发之后,它们的密度也不会超过水星。其次是金星,第三是地球,随后是火星,几颗小行星和木星最中间的卫星——木卫一(Io)。

但在对广大的太阳系外行星进行研究后,我们发现引力作用下的压缩在原始物质组成中起着重要作用。即使质量比地球小两倍,这颗行星也会是岩质行星,其密度也会更高,因为其重力压缩作用更大。超出这个界限的行星将是一个气体行星,并且外周气的密度大大降低,所以土星是一颗密度最低的行星。另一种限制则是重力压缩,所以土星的体积只有木星的85%,但是质量只有木星的三分之一。假如有更大的质量,超出下一个界限,融合就会开始,那就是一颗恒星!

若有一颗类似木星的行星接近太阳,其大气层就会被剥离,而剩下的核心将是太阳系中密度最高的物体。高密度和重元素在行星形成阶段向核心倾斜,引力压缩下其密度会进一步增加,但我们的太阳系却不存在这种行星。地球是太阳系中密度最高的物体,尽管组成它的元素整体比水星轻2-5%,但地球的质量却是约水星18倍,其重力压缩能力则大于上述因素。

2、黑洞的合并

星系中的黑洞会扭曲并合并恒星,形成一个奇怪的新天体。与大多数大星系一样,银河系中心存在一个潜伏在人马星座的超大质量黑洞,人们称之为“人马座A*(或者说SgrA*)”,它不断向黑洞内部牵引恒星、尘埃和其它物质,形成一个密度比其它星系区域高十亿倍的恒星密集区。

有时候,离黑洞最近的恒星必须争夺空间,这样的竞争就会变成一种奇怪和暴力的“婚姻模式”。一项发表于1月15日出版的《自然》杂志的研究报告指出,天文学家们描述了环绕星系中心黑洞旋转的6个神秘物体,其外形与地球相近,但却有一些小恒星的特点,甚至可以接近黑洞的边缘,而不会被撕碎。

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奇怪的物体是气体还是星星?这种微粒可能是以天体形状、轨道、以及与超大质量黑洞人马座A*相互作用为基础的气体和恒星的混合体,很可能每个G物体都是两颗双星(彼此环绕的恒星),它们在几百万年前由于黑洞的引力作用而碰撞,混乱的碰撞后仍然不断溢出气体尘埃。

这两个G天体在2005和2012年被首次发现,因为它们绕人马座A*黑洞的轨道非常相似,因此一些天文学家将其解释为气体从一颗不幸的死亡恒星上剥离,或者是围绕它旋转的连续气体环中聚集的“节点”。

2014年,当G2天体只有几百个天文单位(地球与太阳之间的距离)时,天文学家预测说,如果G2天体只是一团气体云,它会被强大的黑洞引力吞噬,但它仍能存活下来,尽管有一些畸形。

结语:观测表明,每当G2天体靠近黑洞时,它们就会变得更靠近。种种迹象表明,一种强大的引力使G2天体中的双星紧密结合,这就意味着它可能是一种新型的恒星。研究者们仍然不能完全确定,接下来他们将探索更多的双星,目前的结果表明这两颗行星是从黑洞抛出的。