NASA科學家是如何在木星大紅斑中發現水的？

原標題：NASA科學家是如何在木星大紅斑中發現水的？

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原文：https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/how-a-nasa-scientist-looks-in-the-depths-of-the-great-red-spot-to-find-water-on-jupiter

翻譯：陸寅楓

校對：郭文瀚，陳艷玲、汪榮鑫

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在這張紅外波段的圖片中大紅斑是顏色較深的那塊區域。它之所以呈深色是因為那兒厚厚的雲層遮擋了裡面的熱輻射。圖中黃色線條所指示的為天體物理學家Gordon L. Bjoraker在他的研究中用到的部分。

Credit: NASA』s Goddard Space Flight Centre/Gordon Bkoraker

幾個世紀以來科學家一直在試圖理解木星的組成成分。這樣的執著理所當然：木星是我們太陽系中最大的行星，並且它的化學組成也與太陽最接近。更好地了解木星對於研究太陽系，甚至是其他恆星系統的形成至關重要。

有一個關鍵問題已經困擾了幾代天文學家，那就是木星大氣層深處到底有沒有水？如果有，有多少？

NASA戈達德太空飛行中心的天體物理學家Gordon L. Bjoraker在最近發表的研究論文中表明，他和他的團隊找到了問題的答案。

通過使用地基望遠鏡大紅斑熱輻射的波段進行觀測後，研究團隊在木星最深的雲層上方發現了水的化學跡象。基於對木星中含氧分子的測量和對水壓強的測量，研究團隊認為木星比太陽多出2至9倍的氧元素。這項發現符合這樣一種理論：木星上的水是由氧原子和氫氣分子組合而成的。

由於研究團隊的實驗很容易失敗，這一發現是非常令人震驚的。大紅斑有著厚重的雲層，這使得其中的電磁能難以逃脫，因此天文學家很難了解到其化學組成。

「讓我們感到意外驚喜的是，事實證明大紅斑中的雲層並沒有厚重到讓我們看不清其深處的地步」，Bjoraker說。

最前沿的光譜技術讓研究團隊能一窺木星深達數千公里的大氣層。Bjoraker和他的團隊收集到的信息將會作為朱諾號收集的信息的補充。事實上，朱諾號自己也正在用它搭載的紅外光譜儀和微波輻射計尋找木星中水的存在，並且它所擁有的微波輻射計可以探測至木星表面下100巴壓強（也就是地球表面大氣壓強的100倍）的深度。由於木星沒有一個像地球一樣的固態表面，所以在木星上「海拔」是用大氣壓強來表示的。

戈達德的行星大氣學家Amy Simon表示，如果朱諾號也發現了水的跡象，這將為我們開闢一條新的研究方向。

「如果使用地基望遠鏡真的有用，那我們或許可以將它運用到其他地方，比如土星，天王星，或是海王星。在這些沒有探測器環繞的行星上，這項技術會變得非常有用」，Amy說。

水是一種非常重要的分子。它孕育出了地球上的生命，並且還推動著很多重要工序的發展，比如天氣。不僅在地球上，水在木星上對其混亂的天氣也起著至關重要的作用，同時它也能幫助決定木星的核到底是岩石還是冰。

木星是第一顆由太陽形成後剩餘的氣體聚集而成的行星。十幾年前的理論認為，木星的組成是與太陽完全相同的：它是一個混雜著少量氦的氫氣球，沒有固態的核心。

但是越來越多的證據表明木星其實是有固態的核心的，它的質量大約是地球的十倍。曾到訪過木星的探測器發現，木星在從原氣體盤中吸收氣體形成大氣前已經形成了一個由岩石和冰組成的核。木星的引力牽引朱諾號的方式也支持這一理論。在木星上甚至還有電閃雷鳴，這一現象通常都是由水分引起的。

「木星的衛星大部分都是水冰，所以周圍整個環境都充滿了水」，Bjoraker說，「那為什麼木星強大的引力不能吸引大量的水呢？」

有關水的問題經常讓行星科學家難堪，幾乎每次有關水存在的證據出現後不久，總會又發生些什麼事情而將其推翻。研究木星的專家最喜歡的一個例子是NASA的伽利略號探測器。它曾在1995年向木星大氣層投放了一個小型探測器，但不巧正好落到了一片異常乾燥的區域。「這就好比向地球發送一個探測器，但正好落到了撒哈拉沙漠，然後得出結論說地球沒有水一樣」，Bjovaker解釋道。

B joraker和他的團隊使用了夏威夷天文台的凱克望遠鏡來收集輻射數據，這是當今最為靈敏的紅外望遠鏡，他們還用了NASA紅外望遠鏡上的新儀器來探測更多種類的氣體。

科學家的思路是通過測量透過雲層的光強鑒別雲層的高度，這可以幫助科學家知道這些雲層所在地區的溫度以及其他特徵，它們可能會影響這個區域的氣體組成。

行星科學科學家認為木星上空有三層大氣：最下面的一層是由冰和液態水組成的，中間層是由氨和硫組成的，最高層是由氨組成的。

為了用地面觀測手段確認這一點，Bjoraker的團隊選擇了多數氣體不吸熱的紅外波段，這樣可以使氣體的化學信息更好地顯露出來。特別地，他們分析了甲烷氣體的吸收線。由於木星的溫度很高，甲烷氣體是不可能在木星表面被凍住的，因此甲烷在木星各地的丰度不會發生改變。

「因此如果你看到甲烷的吸收線強度內外不一致，這並不是因為甲烷在內外分布不均，而是因為此處有更深更厚的雲層擋住了內部的紅外輻射。」Bjoraker說。

Bjoraker的團隊在木星的大紅斑處發現了木星大氣分三層的證據，支持了之前提出的模型。最深的雲層壓強可達到5巴（500KPa），正好能夠達到水的冰點。「所以我們認為木星很有可能發現由水組成的雲層。」Bjoraker說。水雲的位置以及科學家在木星上發現的大量一氧化碳，說明木星上富含氧元素，也就是說富含水。

Bjoraker的技術需要在木星的其他地方進行證實，以求獲得木星全球的水量分布。他的數據和朱諾號的發現是相符的。

木星的水的丰度可以告訴我們巨行星是如何演化的，只要我們弄明白這顆行星上究竟儲藏著多少水，JPL的朱諾號項目科學家Steven M. Levin說。

via anonymous

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