Question

为什么木星不是恒星？

Answer 1

银河系中已知最小的主序星是一个真正的小精灵。

它被称为EBLM J0555-57Ab，一颗 600 光年外的红矮星。它的平均半径约为 59,000 公里，仅比土星大一点点。这使它成为已知的最小的恒星，在其核心支持氢聚变，这个过程让恒星一直燃烧直到燃料耗尽。

在我们的太阳系中，有 两个 物体比这颗小星星还大。一个是太阳，很明显。另一个是木星，就像一大勺冰淇淋，平均半径为 69,911 公里。

那么为什么木星是行星而不是恒星呢？

简短的回答很简单：木星没有足够的质量将氢融合成氦。EBLM J0555-57Ab 大约是木星质量的 85 倍，大约和恒星一样轻——如果它再低一点，它也无法融合氢。但如果我们的太阳系不同，木星会被点燃成恒星吗？

这颗气态巨行星可能不是一颗恒星，但木星仍然是个大问题。它的质量是 所有其他行星总和的2.5 倍 。只是，作为一个气态巨行星，它的密度非常低：大约每立方厘米 1.33 克；地球的密度为每立方厘米 5.51 克，是木星的四倍多一点。

但有趣的是注意到木星和太阳之间的相似之处。太阳的密度为每立方厘米 1.41 克。这两个物体在成分上非常相似。按质量计算，太阳大约有 71% 的氢和 27% 的氦，其余的则由微量的其他元素组成。木星的质量约为 73% 的氢和 24% 的氦。

木星及其卫星 Io 的插图。（美国宇航局戈达德太空飞行中心/CI 实验室）

正是由于这个原因，木星有时被称为失败的恒星。

但是，由太阳系自己决定，木星甚至不太可能成为一颗恒星。

你看，恒星和行星是通过两种截然不同的机制诞生的。当星际分子云中的一个致密物质结在其自身引力的作用下坍塌时，恒星就诞生了——蒲团！软软的！– 在称为云崩溃的过程中旋转。当它旋转时，它会将周围云中的更多物质卷入恒星吸积盘中。

随着质量——以及重力——的增长，婴儿恒星的核心被挤压得越来越紧，这导致它变得越来越热。最终，它变得如此压缩和炽热，核心点燃，热核聚变开始。

根据我们对恒星形成的理解，一旦恒星吸完物质，就会留下一大堆吸积盘。这就是行星的组成。

天文学家认为，对于像木星这样的气态巨行星，这个过程（称为卵石吸积）始于圆盘中的小块冰冷岩石和尘埃。当它们围绕婴儿恒星运行时，这些材料开始碰撞，并与静电粘在一起。最终，这些不断增长的团块达到了足够大的大小——大约10 个地球质量 ——它们可以通过引力从周围的圆盘中吸引越来越多的气体。

从那时起，木星逐渐增长到现在的质量——大约是地球质量的 318 倍，是太阳质量的 0.001 倍。一旦它吞噬了所有可用的材料——与氢聚变所需的质量相去甚远——它就停止了生长。

因此，木星甚至从未接近过大到足以成为恒星的程度。木星与太阳的成分相似，不是因为它是一颗“失败的恒星”，而是因为它诞生于与太阳相同的分子气体云中。

(NASA/SwRI/MSSS/Gerald Eichstädt/Seán Doran/Flickr/CC-BY-2.0)

有一类不同的物体可以被认为是“失败的恒星”。这些是褐矮星，它们填补了气态巨星和恒星之间的空白。

从大约 13 倍于木星的质量开始，这些物体的质量足以支持核心聚变——不是普通的氢，而是氘。这也被称为“重”氢；它是氢的同位素，在原子核中有一个质子和一个中子，而不仅仅是一个质子。它的聚变温度和压力低于氢的聚变温度和压力。

因为它发生在较低的质量、温度和压力下，氘聚变是恒星氢聚变过程中的中间步骤，因为它们会继续增加质量。但是有些物体永远不会达到那个质量；这些被称为褐矮星。

在 1995年确认它们的存在后的一段时间内，不知道褐矮星是表现不佳的恒星还是雄心勃勃的行星。但一些研究表明，它们就像恒星一样形成，是由云层坍塌而不是核心吸积形成的。一些褐矮星甚至低于氘燃烧的质量，与行星无法区分。

木星正好处于云坍塌的质量下限；据估计，云塌陷物体的最小质量约为木星质量。因此，如果木星是由云层坍缩形成的，它可以被认为是一颗失败的恒星。

但来自美国宇航局朱诺号探测器的数据表明，至少从前，木星有一个坚实的核心——这与核心吸积形成方法更加一致。

建模表明，通过核心吸积形成的行星质量的上限不到木星质量的 10 倍 ——仅比氘聚变低几个木星质量。

所以，木星不是一颗失败的恒星。但是思考为什么它不是一个可以帮助我们更好地理解宇宙是如何运作的。此外，木星本身就是一个条纹、暴风雨、漩涡状的奶油糖果奇观。没有它，我们人类甚至可能无法生存。

然而，那是另外一回事了，下次再说。