在太陽(yáng)系內(nèi)外的行星之間有一些明顯的差異，離太陽(yáng)更近的是類地(即巖石)行星，這意味著它們是由硅酸鹽礦物和金屬組成的。然而除了小行星帶外，行星主要是由氣體組成的，而且比它們的巖石類要大得多。

這就是為什么天文學(xué)家在提到太陽(yáng)系外行星時(shí)使用“氣態(tài)巨行星”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。我們對(duì)這四顆行星了解得越多，我們就越能理解沒有兩個(gè)氣態(tài)巨行星是完全一樣的。此外對(duì)太陽(yáng)系以外的行星進(jìn)行的研究還在進(jìn)行中，外太陽(yáng)系行星已經(jīng)表明，有許多類型的氣體巨星不符合標(biāo)準(zhǔn)，那么到底什么是“天然氣巨行星”呢?

我們太陽(yáng)系外行星大致相對(duì)尺寸，從左木星，土星，天王星和海王星。信用：農(nóng)歷和行星研究所。圖片：Lunar and Planetary Institute

定義及分類：

根據(jù)定義：一個(gè)氣態(tài)巨行星是一個(gè)主要由氫和氦組成的行星。這個(gè)名字最初是由James Blish在1952年創(chuàng)造的，他是一個(gè)科幻作家，他使用這個(gè)詞來(lái)指代所有的大行星。事實(shí)上這一術(shù)語(yǔ)有點(diǎn)用詞不當(dāng)，因?yàn)檫@些元素在氣體巨人中很大程度上是液態(tài)和固態(tài)的，這是由于內(nèi)部存在的極端壓力條件造成的。

太陽(yáng)系的四個(gè)氣態(tài)巨行星(從右到左)：木星、土星、天王星和海王星。圖片：NASA/JPL

更重要的是氣態(tài)巨行星也被認(rèn)為在其內(nèi)核中含有大量的金屬和硅酸鹽物質(zhì)。然而這一術(shù)語(yǔ)在過去幾十年里一直被廣泛使用，并指的是所有的行星，它們都是由氣體組成的，它也與行星科學(xué)家的研究相一致，他們使用一種速記——即“巖石”、“氣體”和“冰”——根據(jù)它們中最常見的元素來(lái)對(duì)行星進(jìn)行分類。

因此木星與土星之間的差異，以及天王星和海王星之間的差異。由于在后兩種行星中有高濃度的揮發(fā)物(如水、甲烷和氨)，行星科學(xué)家將其歸類為“冰”——這兩顆巨大的行星通常被稱為“冰巨人”。但由于它們主要由氫和氦組成，它們?nèi)匀槐徽J(rèn)為是木星和土星的氣態(tài)巨行星。

分類：

今天根據(jù)David Sudarki(et al )在2000年的一項(xiàng)研究中提出的分類方案，氣體巨人被分成五類。Sudarsky和他的同事們以太陽(yáng)系外巨大行星的反光原理和反射光譜為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)他們的外表和反光原理，分了五種不同類型的氣體巨星，以及它們與恒星之間的距離的影響。

第1類：氨云——這類適用于氣體巨星，它們的外觀由氨云主導(dǎo)，在行星系統(tǒng)的外部區(qū)域被發(fā)現(xiàn)。換句話說它只適用于“霜凍線”之外的行星，這是一個(gè)太陽(yáng)星云的距離，從中心的原恒星，那里的揮發(fā)性化合物——即水、氨、甲烷、二氧化碳、一氧化碳——凝結(jié)成固態(tài)的冰粒。

這些切割說明了巨型行星的內(nèi)部模型。顯示木星有一層深層金屬氫氧化物覆蓋的巖心。圖片：NASA / JPL

第2類：水云——這適用于行星的平均氣溫通常低于250 K(-23°C;9°F)，因此太熱形成氨云層。相反這些氣態(tài)巨行星的云是由凝結(jié)的水蒸氣形成的。由于水的反射比氨更強(qiáng)，所以2類氣態(tài)巨行星有更高的反照率。

第3類：無(wú)云——這個(gè)類適用于氣態(tài)巨行星一般溫暖- 350 K(80°C;170°F)到800 K(530°C;980°F)-和不形成云層,因?yàn)樗麄內(nèi)狈Ρ匾幕瘜W(xué)物質(zhì)。這些行星的反射率較低，因?yàn)樗鼈儧]有反射到太空中的光。由于大氣中的甲烷吸收光線(如天王星和海王星)，這些物體也會(huì)像清晰的藍(lán)色球體。

第4類：堿金屬——這類行星經(jīng)歷溫度超過900 K(627°C;1160°F),此時(shí)一氧化碳分子成為主導(dǎo)carbon-carrying大氣壓(而非甲烷)。大量的堿金屬也大量增加，硅酸鹽和金屬的云層在它們的大氣層深處形成。屬于第四類和第五類的行星被稱為“熱木星”。

第5類：硅酸類云——這適用于熱氣態(tài)巨行星，溫度高于1400 K(1100°C較低的2100°F)或重力比木星大的叫冷行星。對(duì)于這些氣態(tài)巨行星來(lái)說，硅酸鹽和鐵云甲板被認(rèn)為是在大氣中很高的。就前者而言這些氣態(tài)巨行星很可能會(huì)因熱輻射和反射光而發(fā)出紅光。

藝術(shù)家的“熱木星”系外行星的概念圖，一個(gè)與恒星非常接近的氣體巨行星。圖片：NASA/JPL-Caltech)

系外行星：

對(duì)系外行星的研究也揭示了其他種類的氣體巨星，它們比太陽(yáng)能的同類產(chǎn)品質(zhì)量更大，超級(jí)木星和許多類似的巨型木星。其他的發(fā)現(xiàn)與他們的太陽(yáng)能相對(duì)應(yīng)的比例是很小的，而有些則是如此之大，以至于他們都羞于成為明星。然而考慮到它們與地球的距離，它們的光譜和反射原理是無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量的。

因此系外行星的獵人傾向于根據(jù)他們的外表尺寸和距離從他們的恒星出發(fā)，指定額外的太陽(yáng)氣體巨星。在前者中它們通常被稱為“超級(jí)木星”，木星大小，海王星大小。迄今為止這些類型的系外行星占了開普勒和其他任務(wù)的大部分發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兏蟮某叽绾透蟮木嚯x使它們成為最容易探測(cè)到的。

就其距離太陽(yáng)的距離而言，外行星獵手將超太陽(yáng)氣體巨行星分為兩類：“冷氣體巨星”和“熱木星”，典型的冷氫富氣體巨行星比木星質(zhì)量大，但比木星質(zhì)量小1。6倍，體積也只比木星大一點(diǎn)點(diǎn)，在這上面的質(zhì)量重力會(huì)使行星收縮。

系外行星研究也發(fā)現(xiàn)了一種被稱為“氣體小矮人”的行星，它適用于沒有太陽(yáng)系的氣態(tài)巨行星那么大的氫行星。這些恒星被觀察到靠近它們各自的恒星的軌道，使它們比在更遠(yuǎn)的距離上運(yùn)行的行星更快地失去大氣質(zhì)量。

對(duì)于在13到75 - 80木星質(zhì)量范圍內(nèi)的氣體巨星，使用“褐矮星”一詞。這個(gè)名稱是為最大的行星/亞星物體預(yù)留的；換句話說物體非常大，但質(zhì)量不夠大，無(wú)法在核心中進(jìn)行核聚變成為恒星，在這個(gè)范圍下面是小棕矮星，而上面的任何東西都被稱為最輕的紅矮星(M9 V)。

一個(gè)藝術(shù)家對(duì)t型褐矮星的概念圖。圖片：Tyrogthekreeper/Wikimedia Commons

就像所有的天文現(xiàn)象一樣，氣態(tài)巨行星是多樣的，復(fù)雜的，非常迷人。在探索我們太陽(yáng)系的氣態(tài)巨行星的任務(wù)中，我們直接對(duì)遙遠(yuǎn)的行星進(jìn)行越來(lái)越復(fù)雜的研究，我們對(duì)這些神秘物體的了解持續(xù)增長(zhǎng)。因此我們對(duì)恒星系統(tǒng)如何形成和演化的理解也是如此。