星星背后的物理之10

图1：朱诺号拜访行星王

美国 NASA的“朱诺号”飞船，在长达5年的旅行后，于2016年7月4日晚11时53分，成功地进入环绕木星轨道。开始它长达20个月的观测任务。木星不像地球有固态的表面，是一个气态行星，如此一个人类到了上面站也站不住的“气体”星球，表面温度极低，大气中也没有“氧”，显然不可能存在智慧生命，但科学家们却十分感兴趣探究它，三番五次派来使者，究竟是为什么呢？

太阳系中的巨无霸

木星是太阳系中最大的行星，体积大到可以容纳1300个地球，的确堪称太阳系中的巨无霸。虽然“霸王”的体积是地球的一千三百多倍，但质量却只有地球的三百倍，因为它不如地球那么坚固致密，属于气态巨星。不过，它的质量仍然超过了其他行星质量总和的2.5倍^【1】。

尽管在望远镜发明之前，人类应该并不确切了解木星之大小，但古人的直觉惊人，在许多文化中都不约而同地将木星捧为众行星之王，西方以古罗马神话中的众神之王“朱庇特”（Jupiter），来命名它，也就是相当于古希腊神话中统领宇宙的天神宙斯。

中国古代将木星称为“岁星”，因为它绕太阳运行一周的时间为12年，与中国古代纪年历法中的地支相同，也正好是民间使用的生肖的轮回周期。中国古人还认为地球上农业的丰收兴旺或饥荒灾害等，均与木星运转周期（12年）有关系，他们将岁星看成是主管农业的星官，地位极为崇高，所在之处将五谷丰登，因此建造专门的庙宇来供奉岁星。所以，在中国古人的眼中，木星就像一个挂在天上的大钟，它有规律的运行，记录和主宰着天干地支，生命轮转，象征着农业兴衰，五谷丰收。

从伽利略开始，400年来，人类从未间断过对木星的探索，特别是如今进入了航天时代，已经有多个航天器飞掠过了木星附近，带给了科学家有关木星的第一手宝贵资料。但这颗巨星仍然谜团多多，它有许多特别之处吸引着天文学家们。

就观测效应而言，木星表面看起来有紅、褐、白等五彩缤纷的条纹，类似木纹，难怪我们的祖先称此星为“木”。有时又使人感觉木星表面的纹路类似大理石。最奇怪的是，“纹路”中还夹着一块令人印象深刻的大红斑，见图1。据说那是一个圆形漩涡，因为其成分中含有红磷而使其看起来呈现红色。

木星的第一特点当然是“大”。尺寸大到只比太阳小一个数量级，比起地球来，则要大一个数量级，见图2中的左图。木星大到你可以说不是它在绕着太阳转，而是它和太阳一起绕着它们两者的“质心（质量中心）”转动。如果简单地考虑两体运动模型，在地球的情形，因为太阳比地球大太多，它们的质心基本上与太阳中心重合，因此，地球是“真正”绕着太阳转（图2的中图）。而木星和太阳的质量中心，已经偏离到了太阳表面上，所以结果是木星和太阳都绕着质心转，木星转大圈，太阳转小圈，如图2的右图所示。

图2：木星之大

木星除了公转之外，也有自转。木星的自转速度也破纪录，是太阳系所有行星中最快的，对其轴完成一次旋转的时间少于10小时。

不妨作一个有趣的设想：假设你掉到了木星上，接下来会发生些什么呢？毫无疑问，你即使不死也会被折腾得够呛，或者说叫做“生不如死”。首先，木星的大气中没有“氧”（这也是木星的未解奥秘之一），不过，我们可以假设你携带了足够的氧气。其次，你将经受巨大的、时速上百公里的超级风暴和致命的辐射（后面将介绍），不过我们也可以假设你的宇宙服先进得足够，能使你抵挡辐射幸免遇难。然后，如果我们考虑木星的巨大质量和体积的话，它表面的重力加速度和地面上是不一样的，由计算的结果可知是地面加速度g的2.5倍。那么，这将使你在掉落的过程中非常难受，除了难受之外，因为你以极高的速度穿过木星的大气，你可能会像地球上常见到的“流星”一样，被燃烧而最后消失。

假如你历经了以上的磨难还侥幸活了下来并且到达了木星的所谓“表面”，你也没法站立，因为木星的表面只不过是一个从气态过渡到液态的氢和氦的混合“海洋”！你在这海洋中一边漂浮一边下沉，沉下去，再沉下去……，你将看到些什么？感受如何？沉到何时为止？那就得由木星这类气态巨行星的内部结构和成分来决定了。遗憾的是科学家们对这些问题的答案仍然知之甚少，只能大概作一个粗线条的简单描述。

气态巨行星引人关注

如果将木星像切西瓜一样剖开，内部应该是逐层过渡的结构，压力不断增加，温度不断升高，像图3所示。因为压力升高，气态氢（氦）将变成液态，液态氢再变成金属氢。在木星表面的大气顶层，温度只有零下几百度，但到了液态氢那一层，温度可达8000摄氏度，高于太阳表面的温度，高温高压的液态氢看起来像滚烫的岩浆，汹涌澎湃。

图3：木星的内部结构

木星的组成及其内部结构，是发射朱诺号这类木星探测器的科学家们想要探测的秘密之一。木星表面由液态氢及氦组成，内部成分只能靠猜测。像木星这种液态巨星，一般被假设有一个岩质的核心，与地球核心类似：高压高温。但地球的核心是由熔融的铁和镍构成，木星核心的成分应该主要是金属氢，温度和压力都比地心高得多。核心的温度几万度，压力达几亿个标准大气压，外围和核心含有大量的金属氢（图3）。金属氢是氢气被充分压缩后的产物，将表现出金属的特性，但在地球上（实验室里），难以得到这么高的压力，因此金属氢一直未被实际观察到，这是实验物理学的遗憾。此外，木星的强大磁场可能就由金属氢中的电流产生。科学家们希望能在对木星探索的过程中，得到一些相关的信息。

气态行星引人关注，与近来20年左右天文观测中发现的太阳系外绕其它恒星转的行星（系外行星）有关。在已发现的几百颗系外行星中，绝大多数都是距离恒星较近的高温气态巨行星，与木星颇为类似。因此，对木星的研究将加深我们对系外行星的认识，了解木星的形成过程将为了解其它行星的形成提供重要的线索。

比如说，氧是宇宙中仅次于氢和氦的第三大元素，但是比起太阳而言，木星上的元素成分中，重元素（氮、碳等）含量比太阳上高得多，唯独氧元素比较稀缺，氧到哪儿去了？是否与氢原子结合成了水？那么，木星上水占有多少比例？有人认为木星中的氧元素含量，或水的含量，不仅能够解释木星大气的诸多特殊现象，并且很可能隐藏着木星以及原太阳星云的秘密。探索这些未解之谜有助于了解太阳系以及各个行星（包括地球）的形成和演化过程。

磁场和极光

图4：木星的巨大磁场

作为太阳系中的老大，木星拥有非常强大的磁场。木星的磁层结构是一个人眼看不见的“巨无霸”势力范围。木星的表面磁场是地球磁场的50-100倍，整个磁矩是地球磁矩的18,000倍（图4b）。强大的磁场与太阳风的作用相抗衡使得木星周围形成强大的辐射带，木星辐射带的强度是地球辐射带的数千倍，见图4a。先锋10号航天探测器在1973年直接测量到木星的磁场。木星的磁层中强大的电流在极区形成美丽的极光，看起来和地球上的极光类似，但地球极光是难得出现的天象，只当太阳活动异常的时候才偶露峥嵘，木星的极光虽然也会变化，但却是“永驻”在极区的。虽然木星极光绚丽斑驳，却不宜近处观赏，因为木星的磁层有捕获粒子并使粒子加速的作用，在周围空间形成的强大辐射带，会危害探测器电子设备及人类健康。木星强大磁场的来源、辐射带的特点，以及神秘的极光现象，都有待揭秘。

太阳系的八大行星中，土星的光环最令人着迷。实际上木星以及天王星海王星都有光环，称之为“行星环”，是气态星球的特征。不过，木星的光环昏暗如薄雾，很不起眼，在地球上很难观测到木星环。1979年，借助于旅行者探测器，天文学家才首次发现了木星环（图4c）。木星薄环的成分是些什么？它为什么不能像土星环一样保持对称的形状？这些未解之谜，令科学家们困惑了若干年。

木星的卫星

伽利略（Galileo，1564～1642年）对天文学的贡献无人能比，他是改进制作望远镜并用它指向天空的第一人。1609年，荷兰光学专家Lipperhey将两个凹凸镜片放在一起制成了望远镜，伽利略知道后立刻动手改良，造出了一具放大20倍的望远镜。伽利略当时身为数学家，原来想用望远镜来观测天象以求证数学之美，没想到小小的镜头为他展开的是一片全新的物理视野，他看到了月亮表面的阴影，表明月面凹凸不平；他看到了银河由许多星星组成，表明地球以外的宇宙之大；他发现金星满盈现象，与托勒密地心说不符合……。这些使伽利略激动不已的新发现，不被当时权威的宗教统治者所接受，而且实际上为被视为异端的哥白尼日心说间接提供了证据^【2】。

科学家在新发现面前总是欲罢不能，伽利略在好奇心驱动下继续观察。1610 年 1 月 7 日这一次，他将望远镜对准了木星，发现木星总是被3颗星伴随着。伽利略开始以为这是与木星不相干的另外3颗恒星：“我在今晚观察木星，我看見木星旁邊有三顆恆星，它們非常小，肉眼根本看不見……”过后几天，伽利略在木星旁边又发现另1颗，总共4个光点，像4颗兵乓球一样陪伴在木星身边。接连好些天的观察事实让伽利略认识到，那4颗星不是恒星，它们除了一直随着木星运动之外，还围绕着木星转动，所以，和月亮绕地球转一样，它们应该是木星的卫星！

因此，这个结论间接说明了地球不是宇宙的中心，因为除了地球之外，起码还有那4颗星，是绕着另外一个中心：木星旋转的！

聪明的伽利略利用他的新发现来笼络当时佛羅倫斯最大的貴族-麥迪席家族，他将新发现的这4颗木星卫星命名为“麥迪席星群”，因为正好麥迪席家族有4个儿子。麥迪席家也因此安排伽利略成为比萨大学的教授，且不用教书和尽公职，只专心做研究，这使得当时的伽利略聲名大噪誉满欧洲，人们似乎忘记了（或者说是视而不见）这些新发现对哥白尼日心说的支持。每个贵族，包括法国王室在内，都想叫伽利略找到什么新的星星好以他们的家族姓氏来命名。

不过，后来的天文界虽然承认伽利略发现了木星的这4个最大的卫星，却不接受他提议的贵族命名，而是将它们称为“伽利略卫星”，四个卫星的名字分别为：Io 伊奧、Europa 歐羅巴、Ganymede 加尼美德、Callisto 卡利斯托，取的都是希腊神话中宙斯朱庇特情人的名字。后来又不停地发现了木星的多个卫星。据当前的资料，木星卫星数目是太阳系行星中最多的，地球只有一个月亮，而目前发现的木星卫星已有67个。有趣的是，据说人们继续用宙斯情人（或倾慕者）的名字，或这些人的女儿（女儿的女儿）名字来命名它们。不过笔者认为，对如此众多伴侣的星王，还是以数字排队比较科学：木卫（+#）。比如说，4颗伽利略卫星可以被简单地称为木卫一、木卫二、木卫三、木卫四。

木星卫星中只有8个属于轨道近圆形的规则卫星（轨道近圆形，形体较规则），包括4颗最大的伽利略卫星，以及其余4颗体积更小，但更接近木星的卫星，这4颗小规则卫星（木卫十六、木卫十五、木卫十四、木卫五），被认为是薄薄的木星环尘埃的主要来源，见图4左边木星环的结构剖视图。

图5：木星的8个规则卫星

四颗伽利略卫星的直径均超过3000公里，其大小都可与月球相比较，最大的木卫三比水星还大。不过，木星的其余63个卫星就都是娇小玲珑的“矮个子”了，直径都低于250公里，有的小到不到1公里。伽利略卫星中的木卫一是个很特别的卫星，离木星最近，巨大潮汐力的作用导致其内部地质活动非常活跃，有好几个正在频频爆发的活火山；木卫二（三、四）近年来也备受关注，因为这几颗卫星的冰层下面是海洋，很有可能有生命存在。

因木星拥有如此众多的卫星“伴侣”，使它看起来颇像一个小太阳系。木星及其卫星系统的形成和演化过程仍然是一个谜。事实上，根据早期航天探测器的测量结果，木星核心的温度很高，木星具有很强的辐射，辐射的总能量是从太阳得到的能量的数倍到数十倍。因此，有些学者认为木星是一个未曾“发育成形”的恒星，只是因为当初质量太小的缘故，不足以维持聚变反应而“修炼”成恒星。不妨想象一下，假设木星当初在进化的过程中，俘获了足够多的质量（需要现有质量的几十倍），成为了一颗货真价实的恒星的话，我们地球的天空上便将拥有两个太阳！

木星磁场看来是来自于内部“发电机”，但它是如何工作的？仍然一直是个谜。综观地球的演化历史，地磁场南北极曾经数次翻转，翻转周期很长，约30万年左右才翻转一次，太阳的磁极则在11年便发生翻转。那么，木星的磁场是不是也翻转呢？周期是多少？这些问题的答案只有当对木星极区的情况进行更为细致的探索研究后方能解答。

与地球类似，木星的磁层也与太阳风有关，但地球磁场更被动，它的形状和结构更多地依赖于太阳风。木星的磁场则更具主动性，除太阳风外，也取决于木星和它的几个伽利略卫星磁场之间的互相影响。比如说，木卫一上不间断的火山活动为木星注入大量的等离子流，见图6a。

图6：木卫一的等离子流及大红斑的热流

因为木星与地球磁层形成机制之不同，造成它们的极光现象也有所不同。地球极光是由于太阳风中的高能粒子扰动地球磁场所产生的，而木星极光还可以产生于自身的强大磁场以及来自木卫一喷出的大量带电粒子流。木星极区周围的带电粒子储备太丰富了，引发极光的源头很多，光电效应接连不断地发生，因而造成木星极区“极光常驻”的现象。此外，木星的大红斑本身就很有可能是一个巨大的热源，因为科学家们发现，木星南半球大红斑附近的温度要比其它地区高很多，见图6b。

总而言之，木星的极区和大红斑，可能隐藏着它内部的许多秘密。因此，人类派出了最新的木星探测器“朱诺号”，准备亲临现场一探究竟。“朱诺”是何方神仙？有哪些特点？请大家等待下一篇文章的介绍。

参考资料：

【1】木星- 维基百科：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9C%A8%E6%98%9F

【2】《星际信使》，伽利略著。范龢惇（Albert VanHelden）英译、徐光台中译，天下文化出版，2004年

本文是同步发表在微信号“知识分子”和“太空联盟”系列文章《星星背后的物理》之10