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關於木星的5種未解之謎,科學家至今都沒能,破解這些謎團!


獨品一鳴在過去的幾十年中,先後有個太空探測器飛經太陽系最大的行星木星,並有個太空探測器專門對它進行了年的近距離科學考察。可是,至今這顆行星依...

- 2019年7月11日03時33分
- 科學文摘 / 獨品一鳴

獨品一鳴

在過去的幾十年中,先後有7個太空探測器飛經太陽系最大的行星木星,並有1個太空探測器專門對它進行了8年的近距離科學考察。可是,至今這顆行星依然存在著許多未解之謎。

木星的直徑為地球的11倍,質量為地球的318倍,體積為地球的1300多倍,平均密度比地球低很多,這是因為木星的結構與地球有很大的差別,它是一顆基本上由氣體組成的行星,其中約75%是氫,約25%是氦,還有微量的甲烷、水、氨和岩石。

木星的大氣層厚幾千千米,而且密度比地球大氣高得多。木星大氣的頂層密布著由甲烷、氨等構成的雲,因此是不透明的。我們看到的木星表面,就是這一雲層。「伽里略」號到達木星上空之後,曾經把一個大氣探測器投入木星的雲層,讓它在木星大氣層內徐徐降落,很可惜,這個大氣探測器只深入到雲層下150千米處,就被木星大氣的巨大壓力壓壞了。因此,關於木星更深處的情況,我們至今還沒有任何直接的觀測數據。


美國科學家英格索爾說:「我們非常想知道木星的內部結構像什麼樣子。」他說,木星的位於濃厚的大氣層下面的「核心」可以分為兩個層次,裡面的一層由岩石、金屬和液態水組成,大小不超過10%;外面的一層是液態金屬氫層,大小或許超過80%。

為了探索木星的內部結構,美國科學家們建造了一座被稱為「Z機器」的歷史上最強大的電力設備。「Z機器」中央真空室內核心處可以模擬木星核心的高壓環境,在那裡氫被剝離了原子核外的電子,從而變得像液態金屬一樣。這樣的「木星物質」可以存在幾納秒(即十億分之九秒)。

英格索爾說:「有意思的是,木星內部的結構也許可以由雲層的頂部展現出來。」在木星大氣層中,有著極其強大的風暴和旋渦。可是,另一方面,木星又有極端穩定的雲帶結構。這些雲帶與木星的緯圈平行,一個世紀來基本上保持不變。英格索爾覺得這些雲帶的根基一定非常深,很可能深入到木星大氣層的底部,這些雲帶也許就像一個個套在一起的圓筒那樣,以木星的自轉軸為共同軸心排列著。英格索爾說:「這會產生巨大的離心力。具有這樣一種結構的行星自轉的時候,整個行星的重力場都會受到由此所產生的離心力的影響。」

美國科學家在勾畫「朱諾」號對木星的探測計劃的時候,就是要讓它描繪木星重力場的詳細地圖。當木星的重力場作用在「朱諾」號上的時候,「朱諾」號的飛行速度會隨之發生變化,通過測定這種速度變化,研究人員就能夠確定木星核心的大小和質量。

英格索爾說:「通過測量木星從赤道到兩極的重力場,你可以知道木星究竟是不是像一些套在一起的圓筒那樣在旋轉。如果重力場的變化是平滑的,那麼這顆行星就像一個固體球那樣在自轉。而如果真是這種情況,那麼我們就不得不認為那些狂暴的氣流深度很淺。於是就帶來了這樣一個問題:為什麼它們會長期存在?相反,如果重力場以某種特定的方式變化,那麼這顆行星就確實是由一系列同軸圓筒組成的。」

成分之謎:含多少水


宇宙中像太陽系這樣的行星系,並不是獨一無二的。至今,人們已經發現的太陽系外的行星超過200顆,而且它們絕大多數是類似木星那樣的巨大的氣體行星。因此,對木星的研究顯得十分重要,木星是天文學家研究太陽系外的行星系統的最好樣品。

美國天文學家利維森說,關於木星是如何形成的,有兩種模型:一種認為木星的核心首先生成,然後再吸引周圍的氣體,逐漸增大;另一種認為木星是由部分原始太陽星雲直接坍縮凝聚而成的。為了判定究竟是哪種模型更符合實際情況,就需要知道木星的化學成分,尤其是氧的含量。

木星含有非常豐富的氫。如果它含有氧,那麼這些氧應該主要存在於與氫的化合物中。木星現在所處的位置離開太陽很遠,在形成的時候,尚處於襁褓中的太陽的熱量不會破壞木星的任何揮發性的物質,這意味著如果木星是由部分原始太陽星雲直接坍縮、凝聚而成的,那麼相同質量的木星物質中的含水量與太陽系原始星雲中的含水量應該相同。

很遺憾,要測量木星中水的含量並不那麼容易。美國學者素蒙說:「在木星的雲層頂部,水都凝結成了冰晶。對這種形態的水不可能用遙感方法進行測量。我們必須深入到水是液態的地方去測量它。」

說起來容易,做起來難。「伽利略」號飛船攜帶的大氣探測器曾經試圖繪製木星大氣內水的含量隨高度的變化圖。美國天文學家特里爾說:「我們以為會觀測到較多的水,然而探測器測得的結果與任何一個模型都不相符合。因此,我們不得不認為,要麼理論有錯,要麼數據有誤。」

科學家們沒有找到否定自己理論的根據。於是,他們相信,「伽利略」號飛船的大氣探測器降落到了一處空氣異常乾燥的下沉氣流中,它所測得的木星大氣的含水量的數據不具有代表性。也就是說:它沒有能夠獲得木星大氣含氧量的數據。索蒙說:「宇宙中氧的含量僅次於氫和氦的含量。我們沒有任何線索得以知道氧在木星上有多少。這樣,我們對木星的化學成分的了解很不全面。」

英格索爾說:「木星大氣的含水量對於我們來說依然是個謎。它不僅涉及到我們關於太陽系內含氧量和含氫量的估計的準確性,而且對於研究木星上的氣象現象也很重要,雷暴、閃電等氣象現象都與水有關。」

形成之謎:生在何處

地球在四十多億年前形成之後,由於距離太陽較近,質量較小,重力較弱,在太陽熱量的作用下,像氫、氦等以氣體形式存在的輕元素大量地揮發逃逸,因此地球的成分主要是以岩石形式存在的重元素,與原始太陽星雲的成分有很大的不同。木星距離太陽較遠,質量又大,重力很強,形成之後所包含的氫、氦等輕元素不會揮發逃逸,一直保留到現在。因此,木星能夠告訴我們大約45億年前原始太陽星雲中物質的分布狀況。

在「伽利略」號對木星進行探測之前,科學家們認為,木星在形成過程中就捕獲到了各種重元素,這些重元素逐漸進入它的不斷變大的核心內。如果這樣的認識是正確的,那麼木星中現有的各種重元素之間含量的比例以及與太陽的元素組成的差別,將有助於人們認識木星當初是如何成長為今天這個樣子的。

然而,「伽利略」號沒有發現木星的重元素比例與太陽的重元素比例有什麼不同,卻揭示了木星中的重元素含量與輕元素含量之比是太陽中的3倍。利維森說:「確實,木星有更多的矽和碳。不過,你也許會想這是由於木星吞吃了大量的小行星而造成的。」可是,利維森又指出:「問題在於,木星中氬和其他惰性氣體的含量也很高。這下該怎麼說呢?」要知道小行星完全由矽、碳等重元素組成,根本不含有氬等以氣體形式存在的重元素。


利維森據此猜測,木星很可能是在條件有所不同的地方形成後遷移到現在的位置上來的。他說:「如果木星是在現在的位置附近形成的,那麼當時原始太陽星雲的溫度應該比我們所想的更加低。」

英格索爾聯想到了地球的形成。他說,在地球形成的早期,地球上溫度很高,因此像水等揮發性的物質在那時不可能在地球上聚集起來,地球上的大氣和海洋很可能是稍後地球冷卻以後從大量的彗星那裡獲得的。他認為木星很可能也是這樣。

磁場之謎:如何變化

木星擁有的磁場是太陽系的行星中最強的,延伸範圍也最大。木星磁場的強度是地球的14倍,一直延伸到離木星大約1600萬千米遠,即木星半徑的200多倍。木星磁場的軸相對於木星的自轉軸傾斜11度。木星的磁場數十年來一直是個不解之謎。縱觀地球的歷史,地球的磁場一直在變化和移動,而且多次發生倒轉。那麼,木星的磁場會有類似的變化嗎?

「朱諾」號太空探測器預定的探測任務包括揭示木星的磁場。英格索爾承認:「這是一次幾乎像釣魚一樣的征程。我們不知道我們將會發現什麼,直到我們獲得這些發現。要緊的是要做得細緻,而要做得細緻的最好辦法是要貼近木星的兩極飛行。」

極光之謎:何以最強

以前的那些飛經木星的太空探測器的飛行路線,以及「伽利略」號圍繞木星運轉的軌道,都很靠近木星的赤道平面。因此,有關木星的太空探測項目都沒有細緻地研究木星的兩極區域。而在木星的兩極區域,帶電粒子產生的極光是太陽系內最強大的極光。

「朱諾」號太空探測器不同於以前的那些太空探測器,它將沿著極地軌道運轉,經過木星兩極上空,最接近木星時離木星雲層頂僅4500千米,距木星最遠時離木星雲層頂約2850000千米。這樣,科學家們有更多的機會仔細地觀測極光活動最強的那些區域。「朱諾」號上有一套等離子體物理儀器,科學家用它有可能揭開木星極光為何如此強大的秘密。


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