氣體巨星(有時稱為類木行星,在木星之外的行星,或是巨行星)是不以岩石或其他固體為主要成分構成的大行星。在太陽系內有4顆氣體巨星:木星、土星、天王星和海王星。許多環繞恆星的系外行星已經被證實是氣體巨星。氣體巨星可以細分成不同的類型,"傳統"的氣體巨星是木星和土星,主要的成分是氫和氦。天王星和海王星因為主要的成分是水、氨、和甲烷,而氫和氦只是最外層區域的主要成分,所以有時會被細分為"冰巨星"。幾乎所有的系外行星都因為軌道緊挨著恆星,或許是因為比較容易被檢測出來,因此是表面溫度很高的氣體巨星,被分類為熱木星,而熱木星也是系外行星中最普遍的類型。
一般特色
太陽系的4顆氣體巨星有一些共同的特徵。所有的大氣層都以氫和氦為主要成份,並且在內部壓力大於氣體的臨界壓力後和液體混合。在木星和土星,大氣層和本體之間沒有明確的界限,但是有些模型顯示天王星和海王星可能有明確的邊界。有鑒於此,我們的4顆氣體巨星被舉例作為材料科學的"物質相變梯度"的經典範例。它們有非常熱的內部,天王星和海王星的溫度範圍可以高達7,000 K,木星可以超過20,000K。如此高的溫度意味著在他們的大氣層之下的整個行星可能都是液體。因此,當討論提到"岩石的核心",你不應該生動的描繪出固體的岩石球。相反的,它可能意味著是重元素,像鐵和鎳等在其餘的行星內集中的區域。
相對來說,4顆行星都快速的自轉著,這造成風的模式會破壞東西方向的帶狀或條紋。這些環帶在木星很突出,在土星和海王星不很明顯,在天王星幾乎完全未曾發現到。
這4顆行星都有精巧的環系統和衛星伴隨著。土星環是最壯觀的,並且是在1970年代之前唯一知道的環系統,木星有最多的衛星-已經知道的有63顆。
環帶的循環
在木星大氣層的帶是由被稱為帶和區的氣流循環路徑造成的,包圍著行星並平行於木星的赤道。
區是較亮的雲帶,並且在大氣層上較高的位置,它們的內部有上升的氣流,並且是壓力較高的區域。帶是較暗的雲帶,在大氣層中的高度較低,內部則有下沉的氣流,它們是壓力較低的區域。這樣的結構有些類似於地球大氣的高氣壓和低氣壓,但是它們有著完全不同的結構-在整個行星的緯度上盤鏇,彼此相對之間的壓力差異也不是很大。這看起來是行星快速的自轉與內層對稱造成的結果。它們沒有造成局部熱源的大陸或海洋,並且轉動的速度也比地球快很多。
它們也有更小的結構,不同大小和顏色的斑點。在木星,最直得注意的特徵是大紅斑,它已經存在了至少300年,他的構造是巨大的風暴。許多這樣的斑點都是暴風雨,天文學家也在其中觀察到一定數量的閃電。
木星和土星
木星和土星主要的成分是氫和氦,重元素在質量上占的比例只有3%和13%。它們的結構被認為是在外面數層是分子氫,包圍著內部液態的數層金屬氫,和依個可能是岩石的核心。最外層的部份是氫的大氣層,特徵是有許多層由氨和水組成,可以看見的雲彩。金屬氫組成每個行星的大塊,被描述成金屬是因為巨大的壓力使氫變成導電體,一如金屬所呈現的。核心,如果存在,包刮其中的重元素會有20,000K的高溫和巨大的壓力,而難以理解它們的性質。
天王星和海王星
天王星和海王星內部的組成明顯的和木星與土星不同。它們模型從外面向下至海王星半徑的85%和天王星半徑的80%是富含氫的大氣層。在這個點之下最顯著的是由水、甲烷和氨組成的"冰"。也有一些岩石和氣體,但冰以各種不同的形式和比例形成各種不同的冰/岩石/氣體可能模擬成類似純淨的冰,因此確實的比率仍是不清楚的。
非常朦朧的大氣層和少量的甲烷使它們的大氣層呈現不同比例的海藍色,如嬰兒藍和深藍色。這兩顆行星都有與自轉軸高度傾斜的磁場。
不同於其他的氣體巨星,天王星的自轉軸極端傾斜造成奇特的季節變化。
太陽系以外的氣體巨星
由於偵測系外行星在現行技術能力上的限制,迄今所發現的與太陽系的行星比較,大小上都是氣體巨星。因為這些大行星相較於木星來說有這更大的質量,也不同於我們所熟悉的氣體巨星,因此稱為"類木行星"顯然不足以顯示它們的性質。許多系外行星比在太陽系的氣體巨星更靠近母恆星因此溫度更高,使她們成為在我們的太陽系中未曾被觀測到的類型。考慮到相對的宇宙中的化學元素豐度(98%是氫和氦),發現倒比木星更重且是以岩石為主的巨型行星頗令人驚奇。令一方面,早先的星球系統形成模型是禁止氣體巨星在緊挨著恆星的附近產生,但卻有許多行星被觀測到。
專門名詞
氣體巨星這個名詞是科幻作家James Blish在1952年創造的。它是一個有爭議的錯誤名詞,因為這些行星體積的所有的組成部份(除了在核心的固體物質之外)都是在臨界點之上,所以液體和氣體之間是沒有分別的,流體行星會是正正確的名稱。木星是一個例外的情況,靠近中心有金屬氫,但是它的體積內充滿了在臨界點之上的氫、氦和微量的其他元素。任何一顆這類行星(至少使用光深度為單位)可以觀測到的大氣層與星球半徑比較是相當稀薄的一層,或許只有至中心距離的百分之一。因此可觀測部分是氣體的(與火星和地球比較,或許只有氣體的外殼能被看見)。
另外的名詞也會令人誤入歧途,因為行星科學加傳統上都是使用"岩石"、"氣體"、和"冰",簡要的區分在其他星球上共同被發現的元素和化合物等組成份,而不問它們是在什麼階段上出現的。在太陽系之外,氫和氦都是"氣體",水、甲烷和氨是"冰",矽和金屬是岩石。當考慮到深入星球內部時,它們可能不再被如此的認為,"冰"再天文學家的意思是氧和碳,"岩石"的意思是矽,"氣體"則是氫和氦。
所選擇的名詞木星的行星是羅馬神話中的邱比特—來自木星的形式,因此木星—想表示這些行星都是與木星相似的。然而,天王星和海王星有許多地方和木星與土星不同,因此這個項目下只有木星和土星這兩顆。
還在腦中的術語項目,有些天文學家開始稱天王星和海王星是"冰巨星",以彰顯"冰"在它們的內部是以冰為主(液體的形式),而冰占有優勢的狀態。