关于木星的五个未解之谜至今仍然没被破解

admin 2020-02-09 04:05

  在过去的几十年中,先后有7个太空探测器飞经太阳系最大的行星木星,并有1个太空探测器专门对它进行了8年的近距离科学考察。可是,至今这颗行星依然存在着许多未解之谜。

  木星的直径为地球的11倍,质量为地球的318倍,体积为地球的1300多倍,平均密度比地球低很多,这是因为木星的结构与地球有很大的差别,它是一颗基本上由气体组成的行星,其中约75%是氢,约25%是氦,还有微量的甲烷、水、氨和岩石。

  木星的大气层厚几千千米,而且密度比地球大气高得多。木星大气的顶层密布着由甲烷、氨等构成的云,因此是不透明的。我们看到的木星表面,就是这一云层。“伽里略”号到达木星上空之后,曾经把一个大气探测器投入木星的云层,让它在木星大气层内徐徐降落,很可惜,这个大气探测器只深入到云层下150千米处,就被木星大气的巨大压力压坏了。因此,关于木星更深处的情况,我们至今还没有任何直接的观测数据。

  美国科学家英格索尔说:“我们非常想知道木星的内部结构像什么样子。”他说,木星的位于浓厚的大气层下面的“核心”可以分为两个层次,里面的一层由岩石、金属和液态水组成,大小不超过10%;外面的一层是液态金属氢层,大小或许超过80%。

  为了探索木星的内部结构,美国科学家们建造了一座被称为“Z机器”的历史上最强大的电力设备。“Z机器”中央真空室内核心处可以模拟木星核心的高压环境,在那里氢被剥离了原子核外的电子,从而变得像液态金属一样。这样的“木星物质”可以存在几纳秒(即十亿分之九秒)。

  英格索尔说:“有意思的是,木星内部的结构也许可以由云层的顶部展现出来。”在木星大气层中,有着极其强大的风暴和旋涡。可是,另一方面,木星又有极端稳定的云带结构。这些云带与木星的纬圈平行,一个世纪来基本上保持不变。英格索尔觉得这些云带的根基一定非常深,很可能深入到木星大气层的底部,这些云带也许就像一个个套在一起的圆筒那样,以木星的自转轴为共同轴心排列着。英格索尔说:“这会产生巨大的离心力。具有这样一种结构的行星自转的时候,整个行星的重力场都会受到由此所产生的离心力的影响。”

  美国科学家在勾画“朱诺”号对木星的探测计划的时候,就是要让它描绘木星重力场的详细地图。当木星的重力场作用在“朱诺”号上的时候,“朱诺”号的飞行速度会随之发生变化,通过测定这种速度变化,研究人员就能够确定木星核心的大小和质量。

  英格索尔说:“通过测量木星从赤道到两极的重力场,你可以知道木星究竟是不是像一些套在一起的圆筒那样在旋转。如果重力场的变化是平滑的,那么这颗行星就像一个固体球那样在自转。而如果真是这种情况,那么我们就不得不认为那些狂暴的气流深度很浅。于是就带来了这样一个问题:为什么它们会长期存在?相反,如果重力场以某种特定的方式变化,那么这颗行星就确实是由一系列同轴圆筒组成的。”

  宇宙中像太阳系这样的行星系,并不是独一无二的。至今,人们已经发现的太阳系外的行星超过200颗,而且它们绝大多数是类似木星那样的巨大的气体行星。因此,对木星的研究显得十分重要,木星是天文学家研究太阳系外的行星系统的最好样品。

  美国天文学家利维森说,关于木星是如何形成的,有两种模型:一种认为木星的核心首先生成,然后再吸引周围的气体,逐渐增大;另一种认为木星是由部分原始太阳星云直接坍缩凝聚而成的。为了判定究竟是哪种模型更符合实际情况,就需要知道木星的化学成分,尤其是氧的含量。

  木星含有非常丰富的氢。如果它含有氧,那么这些氧应该主要存在于与氢的化合物中。木星现在所处的位置离开太阳很远,在形成的时候,尚处于襁褓中的太阳的热量不会破坏木星的任何挥发性的物质,这意味着如果木星是由部分原始太阳星云直接坍缩、凝聚而成的,那么相同质量的木星物质中的含水量与太阳系原始星云中的含水量应该相同。

  很遗憾,要测量木星中水的含量并不那么容易。美国学者素蒙说:“在木星的云层顶部,水都凝结成了冰晶。对这种形态的水不可能用遥感方法进行测量。我们必须深入到水是液态的地方去测量它。”

  说起来容易,做起来难。“伽利略”号飞船携带的大气探测器曾经试图绘制木星大气内水的含量随高度的变化图。美国天文学家特里尔说:“我们以为会观测到较多的水,然而探测器测得的结果与任何一个模型都不相符合。因此,我们不得不认为,要么理论有错,要么数据有误。”

  科学家们没有找到否定自己理论的根据。于是,他们相信,“伽利略”号飞船的大气探测器降落到了一处空气异常干燥的下沉气流中,它所测得的木星大气的含水量的数据不具有代表性。也就是说:它没有能够获得木星大气含氧量的数据。索蒙说:“宇宙中氧的含量仅次于氢和氦的含量。我们没有任何线索得以知道氧在木星上有多少。这样,我们对木星的化学成分的了解很不全面。”

  英格索尔说:“木星大气的含水量对于我们来说依然是个谜。它不仅涉及到我们关于太阳系内含氧量和含氢量的估计的准确性,而且对于研究木星上的气象现象也很重要,雷暴、闪电等气象现象都与水有关。”

  地球在四十多亿年前形成之后,由于距离太阳较近,质量较小,重力较弱,在太阳热量的作用下,像氢、氦等以气体形式存在的轻元素大量地挥发逃逸,因此地球的成分主要是以岩石形式存在的重元素,与原始太阳星云的成分有很大的不同。木星距离太阳较远,质量又大,重力很强,形成之后所包含的氢、氦等轻元素不会挥发逃逸,一直保留到现在。因此,木星能够告诉我们大约45亿年前原始太阳星云中物质的分布状况。

  在“伽利略”号对木星进行探测之前,科学家们认为,木星在形成过程中就捕获到了各种重元素,这些重元素逐渐进入它的不断变大的核心内。如果这样的认识是正确的,那么木星中现有的各种重元素之间含量的比例以及与太阳的元素组成的差别,将有助于人们认识木星当初是如何成长为今天这个样子的。

  然而,“伽利略”号没有发现木星的重元素比例与太阳的重元素比例有什么不同,却揭示了木星中的重元素含量与轻元素含量之比是太阳中的3倍。利维森说:“确实,木星有更多的硅和碳。不过,你也许会想这是由于木星吞吃了大量的小行星而造成的。”可是,利维森又指出:“问题在于,木星中氩和其他惰性气体的含量也很高。这下该怎么说呢?”要知道小行星完全由硅、碳等重元素组成,根本不含有氩等以气体形式存在的重元素。

  利维森据此猜测,木星很可能是在条件有所不同的地方形成后迁移到现在的位置上来的。他说:“如果木星是在现在的位置附近形成的,那么当时原始太阳星云的温度应该比我们所想的更加低。”

  英格索尔联想到了地球的形成。他说,在地球形成的早期,地球上温度很高,因此像水等挥发性的物质在那时不可能在地球上聚集起来,地球上的大气和海洋很可能是稍后地球冷却以后从大量的彗星那里获得的。他认为木星很可能也是这样。

  木星拥有的磁场是太阳系的行星中最强的,延伸范围也最大。木星磁场的强度是地球的14倍,一直延伸到离木星大约1600万千米远,即木星半径的200多倍。木星磁场的轴相对于木星的自转轴倾斜11度。木星的磁场数十年来一直是个不解之谜。纵观地球的历史,地球的磁场一直在变化和移动,而且多次发生倒转。那么,木星的磁场会有类似的变化吗?

  “朱诺”号太空探测器预定的探测任务包括揭示木星的磁场。英格索尔承认:“这是一次几乎像钓鱼一样的征程。我们不知道我们将会发现什么,直到我们获得这些发现。要紧的是要做得细致,而要做得细致的最好办法是要贴近木星的两极飞行。”

  以前的那些飞经木星的太空探测器的飞行路线,以及“伽利略”号围绕木星运转的轨道,都很靠近木星的赤道平面。因此,有关木星的太空探测项目都没有细致地研究木星的两极区域。而在木星的两极区域,带电粒子产生的极光是太阳系内最强大的极光。

  “朱诺”号太空探测器不同于以前的那些太空探测器,它将沿着极地轨道运转,经过木星两极上空,最接近木星时离木星云层顶仅4500千米,距木星最远时离木星云层顶约2850000千米。这样,科学家们有更多的机会仔细地观测极光活动最强的那些区域。“朱诺”号上有一套等离子体物理仪器,科学家用它有可能揭开木星极光为何如此强大的秘密。