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宇宙中已知最大的岩石行星(超级地球)有多大?

截至 2025 年,已知最大的岩石行星可能是:

  • PSR J1719-1438b——估计半径约 4 倍地球半径,可能由少量的氧和大量的碳组成,估计密度超过常温常压下的金属锇。一部分文章愿意称它是已知最大的岩石行星,另一些文章认为它是碳行星、是钻石。
  • TOI-849b——估计半径约 3.44 倍地球半径,可能是冥府行星,需要进一步研究;
  • 开普勒 277c——估计半径约 3.36 倍地球半径,需要进一步研究。

不考虑特别的形成过程,当前理论允许的岩石行星半径上限是地球半径的约 1.75 倍。超出这一尺寸的岩石行星大抵有特殊情况。

  • 低于 5 倍地球质量的行星通常会是岩石行星,超过 10 倍地球质量的行星则容易成为类海王星或气体行星,这是因为后者的引力可以束缚氢气分子。一些学者提出,在足够靠近恒星的情况下,类海王星或气体行星的气体可以被恒星大量驱散,直到露出固体核心,称为“冥府行星”。
  • 气体行星 Corot-20b 的岩石核心可能有 600~800 倍地球质量。
  • 按照现有理论,在 B 型和 O 型恒星(5~120 倍太阳质量的大质量恒星)附近有概率形成质量达千倍地球质量的固体行星,因为这些恒星周围可以产生规模巨大的原行星盘,而且强烈的恒星风和紫外辐射可以从靠近恒星的原行星盘中推开气体。

在质量增加到一定地步时,由于中心附近的物质压得非常紧密、依赖电子简并压支撑,行星的体积会随着质量增加而缩小,其极限体积取决于材料。

按当前理论,计算机模拟的固体行星的质量 - 半径关系图[1]

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纵轴为固体行星半径和地球半径的比值,也就是二者体积比值的立方根。横轴是固体行星质量与地球质量的比值。

线对应的行星材料:

  • 纯氢(绝对零度下的理论值,下同)——青色实线;
  • 含 25% 氦的氢氦混合物——青色点线;
  • 水冰——蓝色实线(原作者的图就蓝得发紫,在上图里看起来相当紫,下同);
  • 75% 水冰、22% 硅酸盐、3% 铁——蓝色虚线;
  • 45% 水冰、48.5% 硅酸盐、6.5% 铁(类似木卫三)——蓝色点划线;
  • 25% 水冰、52.5% 硅酸盐、22.5% 铁——蓝色点线;
  • 硅酸盐(MgSiO3 过氧化物)——红色实线;
  • 32.5% 铁、67.5% 硅酸盐(类似地球)——红色虚线;
  • 70% 铁、30% 硅酸盐(类似水星)——红色点线;
  • 纯铁(ε 态)——绿色实线。

蓝色三角形表示太阳系现有的行星,从左到右是火星、金星、地球、天王星、海王星、土星、木星,水星太靠近原点就没画。品红色方块表示通过凌日法观测的系外行星。

在温度高于绝对零度的现实中,上述体积可以再膨胀一些。TOI-849b、开普勒 277 c 都被恒星猛烤。PSR J1719-1438b 在不到 62 万千米的距离上绕恒星残骸(毫秒脉冲星 PSR J1719-1438,一般认为是中子星)公转、处于极端条件下。

近年来,一些科学研究高估了若干系外行星的密度、将并非岩石行星的天体错误估计为岩石行星,这些研究后来常常得到纠正。例如开普勒 10c:

  • 2017 年 7 月,对 HARPS-N 和 HIRES 数据的更仔细分析显示,开普勒 10c 的质量比最初认为的要小得多,为 6.18 至 8.69 倍地球质量,平均密度约 3.14 克每立方厘米,估计它主要由水构成。

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