木星是太阳系中最大的行星,它含有浓密的大气层,由于大气层的厚度非常之高、密度非常之大,因此人们将之定义为气态行星。根据之前向木星发射的诸多探测器,结合其它天文望远镜观测到的数据,人们发现木星表面大气层的主要成分,即以氢气为主,占比高达近90%以上,另外还含有10%左右的氦气以及少量的甲烷、氨气、硫化氢等。有些朋友受到电影《流浪地球》的启发,提出一个设想,如果将木星表面注入大量的氧气,然后将其点燃,那么木星就会变为一个燃烧着的大火球,随着氢气的耗尽,那么木星最终能否变为一个水球呢?
我们先来看一下木星的结构。木星的总质量约为1.9*10^24吨,是地球的倍,太阳中除其它行星的总质量也没有达到木星的水平,仅有其总质量的1/4。木星平均直径14.3万公里,其体积约为地球的多倍,从内到外可以依次分为内核、金属氢层、液态氢层和气态氢层。
木星的气态氢层连同外围的云层一起构成了它的大气层,厚度达到公里以上,气态物质的总量达到木星总质量的1%,远远高于地球大气层的质量占比(百万分之一)。在大气层之下,分布着厚度达3万公里的液态氢层,主要由于较大的气压使得大气层以下的气体转化为液态。在液态氢层以下,是在更高的压力环境下呈现金属氢的固态圈层,在固态氢层的内部包裹着半径约1.5万公里的固态内核,据推测内核的主要成分为铁、镍和硅酸盐等的混合体,与地球内核的成分类似。木星的内核处温度和压力都非常高,温度达到3万摄氏度以上,压力可达到万个大气压。
木星之所以能够拥有比其它行星多得多的物质,主要取决于它独特的空间位置。在太阳吸聚太阳系内99.86%的物质形成恒星以后,剩余的星际物质在围绕着太阳公转的同时,也持续在进行着聚集和坍缩的过程,逐渐形成若干质量中心,然后这些核心在围绕太阳公转时不断发生着碰撞、合并的过程,最终形成了奠定目前八大行星的基础。而太阳通过核聚变,不但向外界释放着光和热,同时大量的带电粒子流也推动着较轻的星际物质不断远离太阳,而残留的较重物质逐渐聚合形成固态行星。而木星现在的位置,刚好处于固态行星和气态行星的临界区域,“近水楼台先得月”,大量轻物质在这里首先被木星所捕获,使得其质量增长非常迅速,剩余的那些轻物质则在太阳风的吹拂下继续向着太阳系外缘挺进,不过总量要少了许多,最后逐渐被土星、天王星和海王星所俘获,形成了另外四颗气态行星。
因此,木星没有最终演化为恒星,其重要原因在于所吸聚的物质总量,达不到氢元素的最低核聚变水平。根据测算,能够激发出一个星体内部的质子-质子链式反应,在借助量子隧穿效应的作用下,内核最起码也得达到万摄氏度和上千亿个标准大气压,而只有当一个星体的质量达到0.08倍太阳质量时,方可以实现,显然木星是远远达不到这样的要求的,除非再给它增加80倍的质量。
从木星的结构我们可以容易地测算出,其表面大气层中所含有的氢气总量,即约为1.9*10^24*1%*90%=1.7*10^22吨。物质的燃烧需要可燃物、助燃剂、达到物质燃点这三个基本条件,那么,在理论上只需要将木星大气层中的氧气浓度提升到一定水平,就可以实现大气层的点燃。我们按照氢气燃烧时与氧气的总量比例为2:1进行测算,在这个程度之下可以实现氢气的充分燃烧,那么所需要的氧气总质量将达到1.3*10^23吨,直接说这个数据大家可能没有什么宏观的概念,我们以地球为例,地球是太阳系行星中大气层含有氧气最丰富的星球,没有之一,但是地球大气层中的氧气总量也仅仅达到10^15吨这样的级别,即使将地球大气层中的氧化全部输送到木星中,也不过杯水车薪,起码得需要上千万甚至1亿个地球的大气层才能达到需求,我们不谈论如何将氧气输送过去,就是数量这么多的氧气我们去哪寻找和搜集这个问题,以我们现有甚至今后相当长时期之后的科技水平,都无法实现。
最后回到这个问题上来,如果仅从理论上看,当向木星注入上述大量的氧气并分散均匀之后,是完全可以点燃的,届时整个木星的整个大气层将全部笼罩在“一片火海”之中,现有大气层中的氢气将全部燃烧完毕,生成物水将覆盖到木星的表面,由于木星的表面温度很低,这些水体将会冷冻成冰。但是,这并非木星的最终状态,因为随着大气层氢气含量越来越低,液态氢层所受到的压力会逐渐变小,从而会有很多氢气从液态转化为气态,进而充斥到大气层中,使木星仍然成为一个气态行星。
那些之前由氢气燃烧所生成的水,则会在密度较大的影响下,逐渐向木星的内核迁移,随着周围温度和压力越来越高,这些水则最终会以固态的形式存在于内核的外层,介于金属氢层和铁、镍、硅酸盐为主的内核之间被固定下来。