木星上有水？科學家是如何探尋到的？

原標題：木星上有水？科學家是如何探尋到的？

幾個世紀以來，科學家們一直致力於了解木星的構成。這並不奇怪：這顆神秘的行星是太陽系中最大的一顆，從化學角度來說，也是與太陽最近相似的一顆。了解木星是了解我們太陽系如何形成，甚至其他太陽系如何發展的關鍵。但有一個關鍵的問題困擾了天文學家好幾代：木星大氣層深處有水嗎？如果有，有多少水？位於馬里蘭州格林貝爾特的美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心的天體物理學家戈登·l·比約克(Gordon L. Bjoraker)最近在《天文學》上發表的一篇論文中說：他和他的團隊讓木星研究團隊更接近了答案。

博科園-科學科普：通過地面望遠鏡觀察對從木星持續存在的風暴「大紅斑」(Great Red Spot)深處泄漏的熱輻射敏感波長，在木星最深雲層上方發現了水的化學特徵。研究人員得出結論，水的壓力，再加上他們對另一種含氧氣體：一氧化碳的測量，意味著木星的含氧量是太陽的2到9倍。這一發現為理論和計算機模擬模型提供了支持，這些模型預測了木星上由氧(O)和氫(H2)分子組成的大量水(H2O)。這個發現令人激動，因為這個團隊的實驗很容易失敗。大紅斑上布滿了密集的雲層，這使得電磁能量難以逃逸，也無法向天文學家傳授內部的化學知識。

事實證明，它們並不是那麼厚，以至於不能阻擋我們深入觀察，這是一個驚喜。新的光譜技術和純粹的好奇心推動了研究小組深入木星內部，木星的大氣層有幾千英里深。研究團隊收集的數據將補充NASA的「朱諾」號宇宙飛船正在收集的信息，因為它每隔53天繞木星從北向南一周一次。此外，「朱諾號」正在用自己的紅外光譜儀和微波輻射計尋找水源。微波輻射計可以探測到比任何人所見過的深度都要深的水——達到100巴，或者是地球表面大氣壓力的100倍（木星的高度是用柱形測量的，柱形表示大氣壓，因為木星沒有像地球那樣的表面來測量海拔）。

大紅斑是這張紅外圖像中間的暗斑，由於厚厚的雲層阻擋了熱輻射，天氣很暗。黃色的條帶表示在天體物理學家Gordon L. Bjoraker的分析中使用的大紅斑的一部分。圖片：NASA"s Goddard Space Flight Center/Gordon Bjoraker

戈達德的行星大氣專家艾米西蒙(Amy Simon)說，如果「朱諾號」返回類似的水研究成果，從而支持比約克的地面技術，它可能會為解決水問題打開一扇新的窗戶。如果它起作用了，也許我們可以把它應用到其他地方，比如土星、天王星或海王星，在那裡我們沒有朱諾號。朱諾號是最新的一艘宇宙飛船，其任務是在這顆巨大的氣態行星上發現可能以氣體形式存在的水。水是太陽系中重要而豐富的分子，它孕育了地球上的生命，現在也潤滑了許多最基本的過程，包括天氣。這也是影響木星動蕩天氣的一個關鍵因素，也決定了木星是否有一個由岩石和冰組成的核心。

木星被認為是第一顆通過吸收太陽形成時遺留下來的元素而形成的行星，因為太陽（恆星）從無定形星雲合併成我們今天看到的熾熱氣體球。幾十年前，一個被廣泛接受的理論是，木星的組成與太陽相同；一個帶一點氦的氫球——全是氣體，沒有核。但是越來越多的證據表明木星有一個核心，可能是地球質量的10倍。之前訪問過這顆行星的航天器發現了化學證據，證明它在與太陽星雲的氣體混合形成大氣層之前，形成了一個岩石和水冰的核心。木星對朱諾的引力也支持這個理論，地球上甚至有閃電和雷聲，這些現象都是由濕氣引起的。

圍繞木星運行的衛星大多是水冰，所以附近都有很多水，為什麼地球——也就是這個巨大的重力，所有的東西都掉進去的地方——不也是富含水的嗎？水的問題困擾著行星科學家；事實上，每當H2O的證據出現時，就會有一些東西讓它們失去了嗅覺。木星專家們最喜歡的一個例子是美國國家航空航天局(NASA)的伽利略(Galileo)航天器，該航天器在1995年向大氣中投放了一個探測器，結果進入了一個異常乾燥的區域。「這就像向地球發射探測器，在莫哈韋沙漠著陸，得出地球是乾燥的結論。

在尋找水源的過程中，比約克和他的團隊使用了2017年夏威夷Maunakea峰收集的輻射數據。依靠的是W.M.凱克天文台地球上最靈敏的紅外望遠鏡，以及一種能在美國國家航空航天局紅外望遠鏡設備上探測到更大範圍氣體的新儀器。這個想法是為了分析通過木星雲層發射的光能，以確定雲層的高度。這將幫助科學家確定溫度和其他影響在這些地區能夠生存的氣體類型的條件。行星大氣專家預計木星上有三層云：一層是由水冰和液態水構成的，一層是由氨和硫構成的，一層是由氨構成的。

為了通過地面觀測來證實這一點，比約克的研究小組觀察了紅外線範圍內的波長，在這個範圍內，大多數氣體都不吸收熱量，從而導致化學特徵泄露。具體來說，分析了一種甲烷氣體的吸收模式。因為木星太熱，甲烷無法凍結，所以它的丰度不應該從一個地方變成另一個地方。如果看到大紅斑內部和外部的甲烷線強度不同，那不是因為這裡的甲烷比那裡的多，而是因為有更厚、更深的雲層擋住了大紅斑的輻射。研究團隊在大紅斑發現了三層雲的證據，支持了早期的模型。

最深的雲層是5巴，研究小組得出的結論是，就在水的溫度達到冰點的地方，所以認為很可能發現了水雲。水雲的位置，加上研究人員在木星上確定的一氧化碳含量，證實木星富含氧氣，因此是水？研究團隊技術現在需要在木星的其他部分進行測試，以全面了解全球水資源的豐富程度，數據與朱諾的發現相符。加州帕薩迪納市美國國家航空航天局噴氣推進實驗室的朱諾項目科學家史蒂文·萊文說：木星的水豐富程度將會告訴我們這個巨大行星是如何形成的，但前提是我們能弄清楚整個行星有多少水。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻 :《Astronomical Journal》｜研究/來自：美國宇航局的戈達德太空飛行中心，DOI: 10.3847/1538-3881/aad186

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