10.17 人类探索气态巨行星的窗口:神秘而狂暴的“朱庇特”星

人类探索气态巨行星的窗口:神秘而狂暴的“朱庇特”星

木星,又名“Jupiter(朱庇特)”,这是一颗以罗马神话中众神之王的名字命名的星球。木星不仅是我们太阳系中最大的行星,而且它的自转速度也是最快的,并且拥有最多的卫星(数量远远超过其他行星)。在这个世界里,日子可能很短,但风暴却可以肆虐几个世纪。

但不管怎样,科学发烧友们总是对它乐此不疲。

01 大小真的很重要

好吧!让我们花点时间回顾一下木星的疯狂比例。

我们太阳系的这个第五颗行星,它的赤道大约有143000公里宽。如果木星只是一个空心的外壳,你可以在里面塞进1300多个地球。顺便问一下,你知道木星的质量大约是我们心爱的地球的318倍吗?事实上,这颗暴风雨般的巨人的质量是太阳系中所有其他行星总和的2.5倍。

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太阳系星体大小对比图

尽管它很大,但在太阳旁边,木星看起来仍然很渺小。这颗主宰着我们的黄色恒星占太阳系(包括木星)所有质量的99.8%,真是令人震惊!然而,木星的大小足以以地球永远无法做到的方式影响太阳。

事实上,说木星绕着太阳转并不是很准确。其实,这两个星体共享一个“重心”,一个共同的质量中心,它们都围绕着它旋转。太阳与它的每一个行星都保持着一个单独的重心。

比如太阳和地球,它们之间的大小差异实在是太过巨大了,对比关系几乎是一边倒,所以,它们共享的重心就位于太阳本身。(毕竟,太阳的质量要大的多得多)

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木星与太阳绕着其共同质心作圆周运动

但是,木星则是另一回事。由于这颗行星如此之巨大,它与太阳的重心就位于太阳之外,远高于太阳表面。这形成了另一个有趣的事实:木星庞大的体积会给太阳带来轻微但明显的摆动。因此,如果科学家在遥远的恒星中发现这种不稳定的运动,就意味着附近可能会有一颗木星大小的行星。

02 木星是个色彩斑斓的地方

相对大小并不是区分地球和木星的唯一因素。从结构上看,这两个世界也是完全不同的。水星、金星、地球和火星都被归类为类地行星,这意味着它们的外表面坚硬,大多由金属或硅酸盐岩石组成。

另一方面,木星是典型的气态巨星。这样的行星没有外壳,顾名思义,它们绝大多数是由气体组成的。木星的两大主要成分是氢和氦,不过也发现了少量的甲烷、氨和水。

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木星表面看起来确实色彩斑斓

由于木星没有坚硬的外壳,科学家将其“表面”定义为大气压力与地球相当的外层。在这个外部区域的下方,有一个由氢分子主导的层。在这下面,你会发现一个主要成分是液态金属氢的液位。(这种材料让人联想起我们在自己的星球上发现的液态水银。)

关于木星中心的核心也激起了很多争论。一些天文学家认为它根本不存在,可能早就消失了。但美国宇航局“朱诺”号宇宙飞船收集的数据告诉我们,这个核心可能是真实的,但我们仍然不知道它是由什么构成的。然而,与地球的铁和镍为基础的内核相比,这个东西似乎没有那么致密。

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木星表面彩色条纹带

那么,木星所谓的表面又是怎么回事呢?如果你使用高倍率的天文望远镜观察这颗行星,你会观察到很多横向的彩色条纹带。

令人惊讶的是,相邻的带会向相反的方向移动。天文学家称较暗的条纹为“带”,而较亮的条纹则被称为“区域”。化学、透明度或温度的变化,可以解释它们之间观察到的颜色差异。区域和带会不断地改变形状,因为这些彩色的条纹实际上是木星大气中的氨云。

03 木星上的风暴

肆虐的风暴笼罩着这个气体巨人。在木星的南半球,有一系列的椭圆形风暴,它们是逆时针旋转的。由于颜色发白,这些被称为“珍珠串”。自1986年以来,“珍珠”风暴的确切数量从六个变为九个,当朱诺(Juno)在2016年12月11日拍摄这串珍珠时,可见八个。

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自1830年以来,天文学家一直密切关注木星的大红斑。

在木星上,最出名风暴的是大红斑。这是一场带有深红色的史诗级风暴,它的风速高达每小时每小时434.5公里。它夹在两股强大的急流之间,一股向东,一股向西,它位于赤道以下22度的纬度上。尽管,研究人员认为风暴可能正在缩小,但它目前的规模仍然令人瞠目结舌,大红斑宽16350公里,足以覆盖整个地球。

自1830年以来,天文学家一直密切关注着这场风暴。因此,我们知道,这个东西至少有180多年的历史。据分析,它的寿命可能与木星的自转速度有关。

我们的家乡:地球,每24小时绕地轴旋转一次。但是,由于木星大部分是气态的,它的一些纬度区域比其他区域旋转得更快。在两极,木星上的一天持续9小时56分钟。而与此同时,靠近赤道的地方更为活跃,一天只有9小时50分钟。

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“朱诺”号宇宙飞船在拍摄这张令人费解的彩色照片时,距离木星只有一个地球直径多一点。

不过,不管你怎么划分,木星都是太阳系中所有行星中一天最短的。

04 光环和卫星

像土星一样,木星也有光环,尽管不不像土星那么引人注目。1979年发现的木星环系统分为四个主要的亚组,最宽的环外半径约为226000公里。天文学家认为,土星环是由细小的颗粒状粒子组成的,它们是在陨石和卫星等坚硬岩石物体碰撞时形成的。

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天文望远镜观测到的木星光环

说到卫星,它们在木星周围非常常见。目前,至少有79颗已知的卫星环绕着这颗气态巨星。其中五个在2019年8月获得正式名称。这些新发现的卫星被命名为Pandia、Ersa、Eirene、Philophrosyne和Eupheme。它们反映了一个命名传统,与木星同名的是罗马的众神之王,而在希腊神话中与之对应的是宙斯。

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木星和它的卫星

所以,每当天文学家发现一颗新的木星卫星,他们就会用这些神的神话情人或后裔的名字来给它命名。既然两个神都是多情种,那我们就有足够的名字储备可以使用了。

05 神秘莫测的天气系统

伽利略在400多年前就看到了木星上的彩色条纹,而朱诺探测器让人类得以真正近距离观察木星,其神秘莫测的天气系统令人不寒而栗。

通过从“朱诺”号精密仪器中收集的数据,研究人员发现,木星的风暴并不局限于木星大气的最上层。它们穿透的深度和持续的时间比地球的大气过程要长得多。就像一个难以想象的大型机器上的一系列齿轮一样,巨大的气旋也在南北两极旋转,风速超过每小时350公里,相当于陆地上的5级飓风。

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朱诺号在木星北极拍摄的气旋增强图像。中心的气旋被8个以上的风暴包围着,每个风暴的直径有数千英里。

在朱诺号之前,人们不知道木星两极附近的天气如何。现在发现,每一个北极气旋几乎与那不勒斯、意大利和纽约市之间的距离一样宽,而南极的气旋甚至更大,伴随着非常猛烈的风。而且,它们紧密相连,经久不衰。太阳系几乎中没有其他类似的天体。

而朱诺号重力测量数据的研究显示,木星的反向旋转条纹是木星内部一个巨大的三维喷流结构的二维表示,这些喷流深深嵌入在木星强大的引力场中。

随着这些发现,人们认识到木星的天气系统比想象的要深得多。这些天气系统的深度可达3000公里,而这一层包含了大量的物质,约占整个木星质量的1%。相比之下,我们的大气质量还不到地球的百万分之一。

相信随着朱诺号的持续探测,人类将会解开木星更多的神秘面纱。


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