行星之王木星 | 星星背後的物理（十）
?圖1：朱諾號拜訪行星王
撰文 | 張天蓉（美國德州大學奧斯汀分校理論物理博士） 責編 | 魏朝博 審校 | 張雙南（中國科學院高能物理研究所研究員） 鄭永春（中國科學院國家天文台副研究員）
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美國宇航局的「朱諾號」飛船，經歷長達5年的旅行後，於2016年7月4日晚11時53分（美國東部時間），成功地進入環繞木星軌道。開始它長達20個月的觀測任務。木星不像地球有固態的表面，是一個氣態行星。一個人到木星上站也站不住的「氣體」星球，表面溫度極低，大氣中也沒有氧氣，顯然不可能存在智慧生命，但科學家們卻十分感興趣探究它，三番五次派來使者，究竟是為什麼呢？
木星是太陽系中最大的行星，體積大到可以容納1300個地球，的確堪稱太陽系中的巨無霸。雖然「霸王」的體積是地球的一千三百多倍，但質量卻只有地球的三百倍，這是因為它不如地球那麼堅固緻密，屬於氣態巨星。不過，它的質量仍然超過了其他行星質量總和的2.5倍【注1】。
儘管在望遠鏡發明之前，人類應該並不確切了解木星之大，但古人的直覺驚人，在許多文化中都不約而同地將木星捧為眾行星之王，西方以古羅馬神話中的眾神之王「朱庇特」（Jupiter），來命名它，也就是相當於古希臘神話中統領宇宙的天神宙斯。
中國古代將木星稱為「歲星」，因為它繞太陽運行一周的時間為12年，與中國古代紀年曆法中的地支相同，也正好是民間使用的生肖的輪迴周期。中國古人還認為地球上農業的豐收興旺或饑荒災害等，均與木星運轉周期（12年）有關係，他們將歲星看成是主管農業的星官，地位極為崇高，所在之處將五穀豐登，因此建造專門的廟宇來供奉歲星。所以，在中國古人的眼中，木星就像一個掛在天上的大鐘，它有規律的運行，記錄和主宰著天干地支，生命輪轉，象徵著農業興衰，五穀豐謙。
從1609年伽利略發明望遠鏡觀測天空開始，400多年來，人類從未間斷過對木星的探索。特別是上世紀50年代進入了航天時代以來，已經有多個航天器飛掠過了木星附近，給科學家帶來了有關木星的第一手寶貴資料。這顆巨星謎團多多，有許多特別之處吸引著天文學家們。
就觀測效應而言，木星表面看起來有紅、褐、白等五彩繽紛的條紋，類似木紋，難怪我們的祖先稱此星為「木」。有時又使人感覺木星表面的紋路類似大理石。最奇怪的是，「紋路」中還夾著一塊令人印象深刻的大紅斑，見圖1。這是一個橢圓形的風暴中心，是一個巨大的漩渦，看起來呈現紅色。
木星的第一特點當然是「大」。尺寸只比太陽小一個數量級，比起地球來，則要大一個數量級，見圖2中的左圖。木星大到你可以說它並非繞太陽轉，而是它和太陽一起繞著它們兩者的「質心（質量中心）」轉動。如果簡單地考慮兩體運動模型，對於地球來說，因為太陽比地球大太多，它們的質心基本上與太陽中心重合，因此，地球是「真正」繞著太陽轉（圖2的中圖）。而木星和太陽的質量中心，已經偏離到了太陽表面上，所以結果是木星和太陽都繞著質心轉，木星轉大圈，太陽轉小圈，如圖2的右圖所示。
?圖2：木星之大
木星除了公轉之外，也有自轉。木星的自轉速度也是破紀錄，是太陽系所有行星中最快的，完成一次自轉所需的時間少於10小時。
不妨作一個有趣的設想：假設你掉到了木星上，接下來會發生些什麼呢？毫無疑問，你即使不死也會被折騰得夠嗆，或者說叫做「生不如死」。首先，木星的大氣中沒有「氧」（這也是木星的未解奧秘之一），當然我們假設你攜帶了足夠的氧氣。其次，你將經受巨大的、時速上百公里的超級風暴和致命的輻射（後面將介紹），當然我們假設你的宇宙服先進得足夠，能使你抵擋輻射倖免遇難。然後，如果我們考慮木星巨大得質量和體積的話，它表面的重力加速度將是地球表面的2.5倍。因此，你將以極高的速度穿過木星的大氣，就地球上常見到的「流星」一樣，被燃燒成為灰燼。
假如你歷經磨難僥倖活了下來，併到達木星的所謂「表面」。但你沒法站立，因為木星的表面只不過是一個從氣態過渡到液態的氫和氦的混合「海洋」！你在海洋中逐漸下沉，再下沉……你將看到些什麼？感覺如何？沉到何時為止？這取決於木星的內部結構和成分。遺憾的是，科學家們對這些稀奇古怪的問題仍然知之甚少，只能大概作一個粗線條的簡單描述。
如果將木星像切西瓜一樣剖開，其內部逐層過渡，壓力和溫度隨深度不斷增加，如圖3所示。由於壓力升高，氣態氫（氦）將變成液態，液態氫再變成金屬氫。在木星表面的大氣頂層，溫度只有零下幾百攝氏度，但到了液態氫那一層，溫度可達8000攝氏度，甚至比太陽表面溫度還要高。高溫高壓的液態氫看起來像滾燙的岩漿，洶湧澎湃。
?圖3：木星的內部結構
探測木星的物質組成及內部結構，是朱諾號木星探測器想要探測的秘密之一。木星表面由液態氫及氦組成，內部物質的組成了解很少。像木星這種氣液態巨星，一般假設有一個岩質內核，具有與地球內核類似的高壓高溫。但地球內核是由熔融的鐵和鎳構成，木星內核的成分應該主要是金屬氫，溫度和壓力都比地核高得多。木星內核的溫度高達幾萬攝氏度，壓力達幾億個標準大氣壓，外圍和內核含有大量的金屬氫（圖3）。金屬氫是氫氣被充分壓縮後表現出金屬的某些特性，但在地球上很難得到這麼高的壓力，所以還沒實際觀測到金屬氫。木星強大的磁場很可能就由金屬氫中的電流產生。
近年來，類似木星的氣態巨行星引人關注，與20多年來在太陽系外發現的系外行星有關。在已發現的上千顆系外行星中，絕大多數都是距離恆星較近的高溫氣態巨行星，與木星頗為類似。因此，對木星的研究將加深我們對系外行星的認識，通過木星的形成過程了解系外行星的形成過程。
比如說，氧是宇宙中僅次於氫和氦的丰度第三的元素，但木星上的重元素（氮、碳等）含量比太陽上高得多，唯獨氧元素比較稀缺。那麼，氧到哪兒去了？是否與氫原子結合成了水？木星上水的比例是多少？有人認為，木星的氧元素或水的含量，不僅能夠解釋木星大氣的諸多特殊現象，且可能隱藏著木星以及原始太陽星雲的秘密。探索這些未解之謎有助於了解行星（包括地球）的形成和演化過程。
?圖4：木星的巨大磁場
作為太陽系中的老大，木星擁有非常強大的磁場。木星的磁層結構是人眼看不見的「巨無霸」勢力範圍。木星的表面磁場是地球的50-100倍，磁矩是地球的18,000倍（圖4b）。強大磁場與太陽風的作用相，使木星周圍形成強大的輻射帶，木星輻射帶的強度是地球的數千倍，見圖4a。先驅者10號探測器1973年直接測量了木星磁場。木星磁層中強大的電流在極區形成美麗的極光，地球極光很難看到，只有太陽活動劇烈的時候才偶露崢嶸，但木星的極光卻非常壯觀，且「永駐」極區的。木星極光雖然絢麗斑駁，卻不宜近處觀賞，因為木星磁層有捕獲粒子並加速粒子的作用，在木星周圍形成強大的輻射帶，危害航天器上的電子設備。木星強大磁場的來源、輻射帶的特點，以及神秘的極光現象，都有待揭秘。
八大行星中，土星光環最令人著迷。實際上木星以及天王星、海王星都有光環，被稱為「行星環」，是氣態星球的共同特徵。不過，木星的光環昏暗如薄霧，很不起眼，在地球上很難觀測到。1979年，藉助於旅行者號探測器，天文學家才首次發現了木星環（圖4c）。木星薄環的成分是什麼？為什麼不能像土星環一樣保持對稱形狀？這些未解之謎，令科學家們一直感到困惑。
伽利略（Galileo，1564～1642年）對天文學做出了突出貢獻，他改進望遠鏡並第一次指向天空。1609年，荷蘭的李普希（Lipperhey）將兩個凸透鏡放在一起製成瞭望遠鏡，伽利略知道後立刻動手改良，造出了一具放大倍數達20倍的望遠鏡。伽利略當時身為數學家，原來想用望遠鏡來觀測天象，以求證數學之美，沒想到小小的鏡頭為他展開了一片全新的物理視野，他看到了月球表面的的陰影，表明月球表面凹凸不平；他看到了乳白色的銀河實際上由許多星星組成，表明地球之外的宇宙非常博大；他發現金星的滿盈現象，與托勒密的地心說不符合……使伽利略激動不已的這些新發現，根本不被當時權威的宗教統治者所接受，卻被視為異端的哥白尼日心說提供了間接證據【注2】。
新發現驅使人們繼續探索，伽利略在好奇心驅動下繼續觀察。1610年1 月7 日，他第一次將望遠鏡對準了木星，發現木星總是被3顆星伴隨著。伽利略開始以為這是與木星不相干的另外3顆恆星：「我在今晚觀察木星，看見木星旁邊有三顆恆星，它們非常小，肉眼根本看不見……」幾天後，伽利略在木星旁又發現另1顆光點，總共4個光點，像4顆兵乓球一樣陪伴在木星身邊。接連好些天的觀測讓伽利略認識到，那4顆光點不是恆星，除一直隨木星運動外，它們還繞木星轉動。所以，像月亮繞地球轉一樣，它們應該是木星的衛星！
這個結論間接說明地球不是宇宙的中心。除地球外，起碼還有4顆衛星繞著另一個中心——木星旋轉！
聰明的伽利略利用他的新發現，來籠絡當時佛羅倫薩最大的貴族——美第奇家族，他將新發現的這4顆木星衛星命名為「美第奇星群」，因為正好美第奇家族有4個兒子。美第奇家族安排伽利略成為比薩大學的教授，且不用教書，只需要專心做研究，這使伽利略聲名大噪、譽滿歐洲。人們似乎忘記了這些新發現，實際上是對哥白尼日心說的支持。每個貴族，包括法國王室在內，都希望伽利略找到什麼新的星星，好以他們的家族姓氏來命名。
後來，天文界雖然承認伽利略首先發現了木星這4個最大的衛星，卻不接受他提議的貴族命名，而是將它們稱為「伽利略衛星」。四個衛星分別命名為Io(艾奧)、Europa(歐羅巴)、Ganymede(加尼美德)和Callisto(卡利斯托)，都是以希臘神話中宙斯的四位情人的名字。此後，又發現了多顆木星的衛星。迄今為止，木星是太陽系中衛星最多的行星，已發現有67顆衛星。有趣的是，人們繼續用宙斯情人（或傾慕者）的名字，或這些情人的女兒（或女兒的女兒）名字來命名它們。不過筆者認為，對具有如此多伴侶的行星之王，還是像中國人一樣用數字排列比較科學，比如說，4顆伽利略衛星可以簡單稱為木衛一、木衛二、木衛三和木衛四。
木星的衛星中只有8個的軌道近圓形、形態比較規則，包括4顆最大的伽利略衛星，以及4顆體積更小、但更靠近木星的衛星（木衛十六、木衛十五、木衛十四、木衛五），這4顆衛星被認為是木星環中的主要塵埃源，見圖5左邊木星環的結構剖視圖。
?圖5：木星的8個規則衛星
四顆伽利略衛星的直徑均超過3000公里，大小可與月球相較。最大的木衛三比水星還大。不過，木星的其餘63個衛星就都是嬌小玲瓏的「矮個子」了，直徑都低於250公里，有的小到不到1公里。伽利略衛星中的木衛一是個很特別的衛星，離木星最近，巨大潮汐力的作用導致其內部地質活動非常活躍，有好幾個正在爆發的活火山；木衛二、三、四近年來也備受關注，因為這幾顆衛星的冰層下面是海洋，可能有生命存在。
由於木星有如此多的衛星，使它看起來像一個小太陽系。木星及其衛星的形成和演化仍然是一個謎。事實上，根據早期航天探測器的測量結果，木星內核的溫度很高，有很強的輻射，輻射總能量是從太陽得到的能量的數倍到數十倍。因此，有些學者認為，木星是一個未「發育成形」的恆星胚胎，只是由於質量太小的緣故，不足以維持聚變反應而「修鍊」成恆星。不妨想像一下，假設木星在進化的過程中，俘獲了足夠多的質量（為現有質量的幾十倍），成為一顆貨真價實的恆星的話，我們地球人的天空上將擁有兩個太陽！
木星磁場似乎起源於內部的「發電機」，但它的產生機制仍然是個謎。縱觀地球的演化歷史，地球磁場的南北極曾經數次翻轉，約30萬年左右才翻轉一次，太陽的磁極則只需要11年左右就會發生翻轉。那麼，木星磁極是否也會翻轉呢？多久翻轉一次？只有對木星極區進行更細緻的探索後，這些問題才可能獲得答案。
與地球類似，木星的磁層也與太陽風活動有關。但地球磁場的形狀和結構更多依賴於太陽風，表現比較被動。木星的磁場則更具主動性，除太陽風外，也取決於木星和它的幾個伽利略衛星的磁場的互相影響。例如，木衛一上不間斷的火山活動為木星注入大量的等離子流，見圖6a。
?圖6：木衛一的等離子流及大紅斑的熱流
由於木星磁層與地球磁層的形成機制不同，造成它們的極光現象也有所不同。地球極光是由太陽風中的高能粒子擾動地球磁場所產生的，而木星極光還可以產生於自身的強大磁場，以及來自木衛一噴出的大量帶電粒子流。木星極區周圍的帶電粒子儲備太豐富了，引發極光的源頭很多，其基本過程就是帶電粒子和木星大氣的原子碰撞，使得原子失去電子（叫做電離過程，相當於「強迫離婚」），失去電子的原子就成為了帶正電荷的離子，離子又吸引帶負電的電子重新結合成為原子（叫做複合過程，相當於「自願復婚」），這個複合過程就會發光，慶祝「復婚」（不過不一定是原來那個電子，但是作為基本粒子的所有電子都是完全一樣的，所以沒有關係）。這個過程在木星上持續不斷地發生，因而造成木星極區「極光常駐」。此外，木星的大紅斑可能是一個巨大的熱源，因為科學家們發現，木星南半球大紅斑附近的溫度要比其它地區高很多，見圖6b。
總而言之，木星的極區和大紅斑，可能隱藏著它內部的許多秘密。因此，人類派出了最新的「朱諾號」探測器，親臨現場一探究竟。
「朱諾」是何方神仙？究竟有何功能？敬請期待下一篇文章的介紹。
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注釋：
【注1】參考資料：木星- 維基百科（https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9C%A8%E6%98%9F）
【注2】參考資料：《星際信使》，伽利略著。范龢惇（Albert VanHelden）英譯、徐光台中譯，天下文化出版，2004年
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