木星的四大谜案

cqg1985 · 发表于 2011-1-11 14:14

木星在中国古代被称为“岁星”。它绕太阳运行一周的时间为12年，与地支相同。这一特性使得木星成为了天空中一个巨大的时钟，具有纪年和修订历法的重要意义。
此外，中国古代还认为木星与农业之间有着特殊的联系。《淮南子·天文训》中有一段文字讲道（大意）：岁星所在之处五谷丰登，第三年会有饥荒，第六年进入衰落，第十二年又开始兴盛。在《史记》、《汉书》等史书中也明确记载岁星是主管农业的星官，地位极为崇高，并且有专门建造的庙宇来供奉岁星。这一祭祀制度甚至一直延续到了晚清。

[图片说明]：2000年12月7日由“卡西尼”探测器所拍摄的木星照片。照片左下角的黑色斑点是木卫二所投下的影子。版权：NASA。
无独有偶，古巴比伦人把木星视为他们的主神马尔杜克，他在诸神中地位最高。他们还利用木星为期12年的轨道来定义黄道星座。在古罗马，木星被称为朱比特，是罗马神话中的众神之神，相当于希腊神话中的宙斯。
尽管自望远镜发明之后，人们才对木星的物理性质开始有了深入的了解，但是古人对木星“王者”地位的猜想却是完全正确的。木星在太阳系的八颗行星中，无论是质量还是体积都独占鳌头。它的质量达到了太阳的大约千分之一，超过了其他行星质量总和的2.5倍。它庞大的体积更是需要1,300多个地球才能把它“填满”。
虽然在伽利略首次把望远镜对准它之后的400年里木星一直没有逃脱地面望远镜的窥探，近几十年来更是有不少探测器频繁光顾，但是“行星之王”却依然保持着它的威严和神秘。它身上的四大谜案一直让天文学家们挥之不去。
木星的内部是个什么样子？
木星被认为拥有一个高密度的核心。在它之上则是一层参杂有氦的液态金属氢——氢被充分压缩之后经过相变而产生的。再往外就是由液态和气态氢组成的木星大气。
除了这些“粗线条”的描述之外，天文学家对于木星内部核心可谓知之甚少。他们通常假设木星的核心是由岩石组成的，但是当谈及它具体组成的时候，大家又莫衷一是。原因就在于对超高压下物质的性质几乎一无所知。虽然地球上的实验室也正在想尽办法来模拟木星内部的极端物理状况，但是这些实验目前所能仿真的程度和本身的误差都远没有达到让人满意的程度。
于是，与其从内部着手也许不如从外部深入。通过对木星重力场的测量，推测出它可能有一个质量为12～45个地球质量的核。核的存在倒是和木星是从一个岩质或者冰质核心通过吸积原太阳星云中的氢和氦而形成的理论相符，但是随着时间的流失高温的液态金属氢会将核心物质融化，并且通过对流将其带到木星的其他地方。因此木星的内核也许早就被“侵蚀”殆尽了，而目前的低精度测量根本无法给出一个具有决定性的结论。

[图片说明]：木星的内部结构到底是什么样子？版权：JPL/NASA。
另外，观测还发现了一个有意思的现象，木星能发出相当于它所接收的阳光20倍的辐射。这些辐射都来自其内部液体的对流，因此木星可能都具有绝热并且充分混合的内部结构。假设木星是均匀的并且完全由对流来冷却，再假设木星所辐射的能量是45.5亿年前它形成时所残留下来的，那么由此得出的木星辐射功率和观测到的值很接近。但是木星并不是均匀的，具有显著的分层结构。
那么，木星的内部到底是什么样子？也许木星的云顶可以给我们一些解答。虽然木星的大气中充满了湍流，但是大气中的云带却是极为稳定的，一个多世纪以来几乎没有发生过变化。这是否意味着这些云层具有很深的“根基”呢？下一代的木星探测器将对木星的重力场进行详尽地测量，期望能从局部的重力变化中反演出云带的构造，进而得知木星的内部结构。
木星是怎样形成的？
从1995年首次发现到2009年8月，已经发现360颗太阳系外行星。其中绝大部分是通过测量宿主恒星的视向速度变化而发现的。在这些太阳系外的行星中，绝大多数又是距离恒星较近的高温气态巨行星。作为气态巨行星的代表，木星为我们提供了一个足不出“户”就能研究它的这些“远亲”的机会。了解木星的形成过程也会为了解气态巨行星的形成提供重要的线索。
气态巨行星的形成牵涉到两种可能的机制：核心吸积和引力坍缩。顾名思义，核心吸积事先需要一个大约10个地球质量的固体冰质或者岩质核心，随后它会吸积周围的气体形成木星这样的气态巨行星。核心吸积过程必须按部就班地一一进行，所以历时较长。与之形成对比的是引力坍缩机制。由于恒星周围行星盘中的局部引力不稳定性，气态巨行星可以直接由此坍缩而成。虽然可以借此方式快速形成，但是这一过程需要一个大质量的行星盘，而且在不稳定性出现之前还要等上相当长的一段时间。为了甄别这两种机制，就需要了解这些气态巨行星的组成，尤其是氧元素的丰度（含量）。显然，木星提供了一个“近在咫尺”的机会。

[图片说明]：在行星盘中形成的气态巨行星。版权：NASA/FUSE/Lynette Cook。
为了了解氧在木星中的丰度，就需要了解木星中含有多少水。由于形成于距离太阳较远的地方，太阳的热量不会破坏具有挥发性的物质。因此木星很可能现在还保留着和原太阳星云相同的物质丰度，这同时也意味着木星中水的含量就像是一块被埋藏在木星内部的远古“化石”。
不幸的是，测量木星中水的丰度却并非易事。它们在木星的云顶中都凝聚成了冰晶，很难从远距离进行测量。因此必须深入木星内部，在那里水会呈现为液态。但这说起来容易做起来难。“伽利略”木星探测器曾在木星不同的深度测量了水的丰度，但是结果却和任何一个理论模型都对不上。因此不是理论模型都错了，就是探测到的数据本身具有特殊性。现在科学家们相信“伽利略”正好降落进了一片干燥的下沉气流，因此其中仅有少量的水，于是也就无法真正地反映出木星中有多少氧。
氧是宇宙中仅此于氢和氦的第三大元素，但是它对于木星的组成而言仍然是缺失的一环。同时木星中的水也是一个巨大的谜，并不仅仅因为它反映了太阳系中氧和氢的含量，它还和木星的天气系统息息相关。在木星上可以看到巨大的闪电和雷暴，这些都是由水操控的天气过程的最底层表现。
木星的大气从哪儿来？
如果说木星中的氧元素隐藏着原太阳星云的秘密，那么木星中的其他重元素则暗含着木星大气由来的玄机。
在“伽利略”木星探测任务之前科学家们认为，在太阳系形成的早期冰质的星子会俘获重元素，并且将它们带入形成中的气态巨行星内部。如果真是如此的话，通过比较现在木星和太阳的重元素组成就能告诉我们木星是如何长成现在这个样子的。

[图片说明]：木星巨大的磁场以及木卫一向木星输入离子。版权：John Spencer。
与预想中木星和太阳具有不同的重元素比例不同，“伽利略”探测器发现两者具有相同的重元素丰度。唯一的不同是，木星的含量是太阳的3倍。虽然还不清楚这一结果的真正含义，但是它却实实在在是个问题。木星比太阳含有更多的硅和碳好解释——它可能在形成的过程中“吞噬”了许多小行星。但是木星富含氩这样的稀有气体就无法解释了。
或许木星形成于行星吸积的晚期，当时这些气体还非常丰富。或者木星形成时的位置并非是现在它所处的地方，是事后才迁移过来的。如果木星确实形成于目前所在位置的话，那么太阳星云的温度就会比原先设想的更低。
对这个问题的回答还直接关系到地球的大气和海洋是从哪儿来的？对于地球而言，由于更为靠近太阳，挥发性物质难以被保存，因此地球上的水很可能来自彗星。
木星的磁场是如何产生的？
木星有着太阳系行星中最强大、延伸范围最广的磁场。它的强度是地球磁场的14倍。假设木星的磁场从地球上能用肉眼看到的话，那么它所延伸的范围足有两个满月的直径那么大。在现实中，木星的磁场可以延伸大约160万千米，是太阳直径的10倍左右。
产生木星磁场的内部“发电机”和木星的自转轴之间有11°的夹角，它是如何工作的几十年来也一直是个谜。综观地球的历史，地磁场曾发生过数次南北极翻转的事件，那么木星的磁场是不是也发生过类似的现象？为了回答这些问题唯有近距离飞临木星的两极才能寻找到答案。
但是这样也会造成巨大的风险，因为探测器在木星的两极必须要面对具有破坏性的辐射环境。在那里木星强大的磁场会加速带电粒子形成太阳系中最强烈的极光。

[图片说明]：哈勃空间望远镜所拍摄到的木星极光。版权：JPL/NASA。
美国宇航局的钱德拉X射线天文台对木星的极光观测发现，其中有高度电离的粒子撞入了木星两极上空的大气。X射线谱显示，木星的极光是由高价氧离子以及其他元素的离子所造成的。这就要求这些离子在木星的极区要被加速到百万伏特的高能量状态，暗示着木星极光的成因与地球的可能截然不同。
在地球上，极光是由于太阳风暴中的高能粒子扰动地球磁场所产生的。来自太阳的粒子也可以产生木星的极光，但木星的极光来自于另一种机制。由于木星的高速自转、强大的磁场以及来自木卫一火山活动喷出的大量粒子，因此木星有巨大的电子和离子储备。这些带电粒子被束缚在木星的磁场中，并且会被不断地加速撞入木星极区大气产生极光，所以木星的两极几乎总是存在极光活动。
如果产生极光的粒子来自太阳，那么这些粒子中应该含有大量的质子，它们会产生紫外极光。在“钱德拉”观测的期间，哈勃空间望远镜也对木星进行了紫外观测，只发现了微弱的紫外暴发。综合两者的观测，木星极光是由于束缚在木星极区上空的氧和其他元素的离子被加速所造成的。虽然引发极光的源头清楚了，但是产生极光的具体细节还需要木星探测器亲临现场才能告诉我们一个究竟。
尽管木星身上有着这些兴许在短时间内无法解开的谜题，但是让我们暂时把这些留给天文学家和未来的木星探测器。在此国际天文年之际，让我们不妨用望远镜去一窥行星之王的身姿，去感受一下它那看上去犹如大理石一般的“材质”，去体会一下400年前当伽利略首次在目镜中看到它时的那份激动。