科学家掀起木星神秘面纱,朱诺号新发现

 数据解读     |      2020-01-04

这是朱诺号探测器在木星南极“看到”的气旋。绚丽夺目,也疑团重重。这样壮观的气旋分布目前为止尚未在其他天体上观测到过

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科学家掀起木星神秘面纱 新发现有助了解气态巨行星起源及系外行星构成

图片 2朱诺号在第4个探测周期,用近红外成像光谱仪拍摄到的木星南极。颜色深浅对应着温度差异,越红表示温度越低(多云),越黄表示温度越高(少云)。图片来源:NASA

图片来源:NASA/JPL/MSSS

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自从2016年7月4日朱诺号探测器成功进入木星轨道,转眼已经过去了一年半。如今的朱诺号正在进行它的第11个探测周期,并将于今年6月结束第一阶段共计12个周期的探测。

木星表面的气态面纱长久以来一直阻碍着科学家对这颗巨大行星的深处进行探索。特别是研究人员一直在争论,雕刻木星独特表面的东西风带是否会因为风暴对这颗行星产生更加深远的影响,或者只是表面现象。如今,来自美国宇航局“朱诺”号木星探测器的一系列论文,揭示了木星上的风,根扎得很深。

图片来源:NASA/JPL/MSSS

2018年3月8日,《自然》杂志一次发表了四篇论文[1-4],介绍了朱诺号在前6个周期的探测中,向我们揭开了木星的哪些神秘面纱。

随着“朱诺”号木星探测器传回更多数据,科学家终于有机会对这颗行星开展深入研究。英国《自然》杂志3月8日发表的4篇新报告基于这些数据,详细分析了木星的重力场、大气流动、内部成分和极地气旋,展示了一系列新发现。

本报讯 木星表面的气态面纱长久以来一直阻碍着科学家对这颗巨大行星的深处进行探索。特别是研究人员一直在争论,雕刻木星独特表面的东西风带是否会因为风暴对这颗行星产生更加深远的影响,或者只是表面现象。如今,来自美国宇航局“朱诺”号木星探测器的一系列论文,揭示了木星上的风,根扎得很深。

图片 4朱诺号和木星。图片来源:NASA

“朱诺”号木星探测器于2016年到达这颗气态巨行星,随后它在一个椭圆形的轨道环绕木星运行,每53天环绕一周。而每环绕一周,木星的引力都会反复拖拽着探测器。科学家通过在地球上收集“朱诺”号木星探测器无线电信号的多普勒偏移,揭示了这颗行星的内部情况。

随着“朱诺”号木星探测器传回更多数据,科学家终于有机会对这颗行星开展深入研究。英国《自然》杂志3月8日发表的4篇新报告基于这些数据,详细分析了木星的重力场、大气流动、内部成分和极地气旋,展示了一系列新发现。

为了能够既尽量近距离地对木星进行观测,又最大限度避开木星的高辐射带对探测器的损害,朱诺号选择了沿着木星南北向的轨道飞行,这使得朱诺号能够正面观测木星的南北极点,之前的旅行者号和伽利略号都没有做到这点。

在这些数据中,意大利罗马大学研究人员与同行利用探测器靠近木星时所获取的数据,分析了这颗行星的重力场。这项新研究显示,木星的重力场存在南北不对称性,这对于一个高速旋转的扁圆流体行星来说并不常见。研究人员认为,这是由大气流动所导致。

“朱诺”号木星探测器于2016年到达这颗气态巨行星,随后它在一个椭圆形的轨道环绕木星运行,每53天环绕一周。而每环绕一周,木星的引力都会反复拖拽着探测器。科学家通过在地球上收集“朱诺”号木星探测器无线电信号的多普勒偏移,揭示了这颗行星的内部情况。

朱诺号的JunoCam相机在前三个周期的探测中就已经发现木星的南北极有大量看似非常凌乱的小型气旋(大小在200-140km之间)[2]。这次加入了用于拍摄极光的近红外成像光谱仪,获取的近红外影像让科学家们惊讶地发现,木星南北极的气旋也是“乱中有序”的,都有显著且稳定的分布:

以色列魏茨曼科学研究所研究人员领衔的团队分析了木星的重力场数据,发现木星的喷流一直延伸至云层以下约3000公里处,多变的大气约占木星总质量的1%。研究人员指出,人们现在能借助“朱诺”号木星探测器收集的数据了解这些喷流延伸的程度有多深,这就像以往只能看到这方面的二维画面,而现在看到的是三维高清画面。

在这些数据中,意大利罗马大学研究人员与同行利用探测器靠近木星时所获取的数据,分析了这颗行星的重力场。这项新研究显示,木星的重力场存在南北不对称性,这对于一个高速旋转的扁圆流体行星来说并不常见。研究人员认为,这是由大气流动所导致。

- 北极:八个极区气旋环绕着一个极点气旋,九个气旋直径都在4000 -4600 km之间;

法国蔚蓝海岸大学联盟研究人员领衔的团队也分析了木星重力场的另一些数据,发现木星深处是如何旋转的。研究人员认为,这一发现对科学家研究太阳系乃至其他星系中的天体提供了参考。

以色列魏茨曼科学研究所研究人员领衔的团队分析了木星的重力场数据,发现木星的喷流一直延伸至云层以下约3000公里处,多变的大气约占木星总质量的1%。研究人员指出,人们现在能借助“朱诺”号木星探测器收集的数据了解这些喷流延伸的程度有多深,这就像以往只能看到这方面的二维画面,而现在看到的是三维高清画面。

- 南极:五个极区气旋环绕着一个极点气旋,直径在5600-7000 km之间。

意大利国家天体物理研究所研究人员领衔的团队则分析了“朱诺”号木星探测器对木星极地地区可见光和红外光的观测结果。他们发现,在木星北极,8个绕极气旋围绕着1个极地气旋;而在南极,5个绕极气旋围绕着1个极地气旋。但研究人员还不清楚这些气旋的起源以及它们为何能持续存在。

法国蔚蓝海岸大学联盟研究人员领衔的团队也分析了木星重力场的另一些数据,发现木星深处是如何旋转的。研究人员认为,这一发现对科学家研究太阳系乃至其他星系中的天体提供了参考。

图片 5图片 6 木星北极(上)和南极(下)区域近红外波段下的气旋分布。颜色越深表示温度越低。图片来源:NASA

通过与去年“卡西尼”号探测器在撞向土星之前所作的类似观测进行比较,NASA科学家可能很快就会澄清气态巨行星的内部动力学,进而帮助理解它们的起源,以及太阳系以外的宇宙的构成。

意大利国家天体物理研究所研究人员领衔的团队则分析了“朱诺”号木星探测器对木星极地地区可见光和红外光的观测结果。他们发现,在木星北极,8个绕极气旋围绕着1个极地气旋;而在南极,5个绕极气旋围绕着1个极地气旋。但研究人员还不清楚这些气旋的起源以及它们为何能持续存在。

放大看一下南北极气旋的高清局部,南极点气旋的中心非常奇特,其他气旋中心都是圆的,但南极点这个气旋的中心是一个眼睛的形状,可以说是有点吓人了……

“朱诺”号木星探测器是NASA“新疆界计划”实施的第二个探测项目。它由美国洛克希德·马丁公司建造,NASA下属喷气推进实验室负责整个探测任务的运行。2011年升空的“朱诺”号木星探测器携带了多种科学仪器,用于研究木星的结构、引力和磁场等问题。它在飞行过程中前所未有地接近木星云层,捕获了清晰的木星图像。

通过与去年“卡西尼”号探测器在撞向土星之前所作的类似观测进行比较,NASA科学家可能很快就会澄清气态巨行星的内部动力学,进而帮助理解它们的起源,以及太阳系以外的宇宙的构成。

图片 7木星北极(左,分辨率18 km/像素)和南极(右,分辨率25km/像素)的近红外影像,是朱诺号在第4个观测周期拍到的分辨率最高的影像,图中已经可见一些小型反气旋结构。右图蓝框中就是这次发现的“南极之眼”。 图片来源:参考文献[1]

木星是太阳系八大行星中体积最大、自转最快的行星。它的质量为太阳的千分之一,是太阳系中其他七大行星质量总和的2.5倍。木星与土星、天王星、海王星皆属气体行星。木星主要由氢组成,其次为氦,占总质量的25%,占所有太阳系行星的70%岩核则含有其他较重的元素。气态行星没有实体表面,它们的气态物质密度随深度的变大而不断加大。木星由于自转快速而呈现扁球体。外大气层明确依纬度分为多个带域,各带域相接的边际容易出现乱流和风暴。最显著的例子是大红斑。环绕着行星的是松弱的行星环系统和强大的磁层。木星至少有69个卫星。

“朱诺”号木星探测器是NASA“新疆界计划”实施的第二个探测项目。它由美国洛克希德:马丁公司建造,NASA下属喷气推进实验室负责整个探测任务的运行。2011年升空的“朱诺”号木星探测器携带了多种科学仪器,用于研究木星的结构、引力和磁场等问题。它在飞行过程中前所未有地接近木星云层,捕获了清晰的木星图像。

这是人类首次清楚地看到木星南北极的大气结构,但这些气旋的成因和维持方式还完全是个谜。比如,不管是北极的八角形分布还是南极的五角形分布,这些气旋不仅自身的相对位置非常稳定,而且作为一个整体的移动都是非常缓慢的,这是为什么?再比如,构成八角形和五角形的这些气旋为什么没有合并?要知道,太阳系的另一颗气态巨行星——土星的南北极点都只有一个大涡旋而已。当然,这些变化只是朱诺号在2-3个周期(每个周期53天)内观测到的,100多天对于一个天体上的变化来说还是太短暂了,或许这些气旋正在慢慢合并,只是时间尺度太大,难以被人类观测到也是可能的。无论如何,这些都等待着科学家们的进一步解译。

木星是太阳系八大行星中体积最大、自转最快的行星。它的质量为太阳的千分之一,是太阳系中其他七大行星质量总和的2.5倍。木星与土星、天王星、海王星皆属气体行星。木星主要由氢组成,其次为氦,占总质量的25%,占所有太阳系行星的70%岩核则含有其他较重的元素。气态行星没有实体表面,它们的气态物质密度随深度的变大而不断加大。木星由于自转快速而呈现扁球体。外大气层明确依纬度分为多个带域,各带域相接的边际容易出现乱流和风暴。最显著的例子是大红斑。环绕着行星的是松弱的行星环系统和强大的磁层。木星至少有69个卫星。

中低纬条带:你以为我很“肤浅”,其实我有3000km深!

木星南北极的气旋虽然炫目,但这次最大的科学发现来自于对木星重力场的探测。重力分布反映了一个天体内部质量分布,因此我们可以通过对重力信号的分析来推测一个天体的内部结构。

朱诺号探测器前6个周期的重力探测数据显示,木星的重力扰动(可以理解为测量值和理论值的差异)表现出了显著的南北(纬度)差异

对于木星来说,如果大气内部没有不规则的动态变化,那它的重力场应当是南北半球对称的(也应该是轴对称的)。然而朱诺号的重力数据显示出了明显的不对称性,科学家认为,这正是木星大气层和内部风流动的结果[2]

进一步的分析发现,随着纬度的变化,木星重力场和风速的变化规律非常相似。科学家们推测,这是木星中低纬深浅相间的条带和急流(jet stream)运动的结果,通过这些重力数据,可以反过来估算这些条带的深度。

图片 8左:去掉了偶数阶部分的木星重力加速度扰动的纬度分布,mGal是重力加速度的单位,1 mGal = 10-5 m/s2;右:风速随纬度的变化率。从纬度分布来看,木星的重力加速度扰动和风速分布非常相似,两者的最大峰值都位于纬度24°附近。图片来源:参考文献[2]

深浅交替的彩色条带(以及大红斑)可以说是木星低纬区域最典型的特征了。通常我们把深褐色的条带叫做带(belt)而把浅色条带叫做区(zone),深浅两种条带的运动方向和速度还不一样。深浅条带的边缘穿梭着东西方向飞驰的急流。

图片 9木星表面的深浅条带(带和区)。急流分布在深浅条带的边缘。图片来源:NASA | 翻译:haibaraemily

这些深浅条带看起来似乎是“漂浮”在木星表面上的薄薄一圈,但通过朱诺号的重力探测结果显示,这些条带非常深,像一条条的管道一样深深埋进木星大气层中,条带之间的急流甚至可能深达云层之下近3000 km。不过虽然这么深,但这层“灵动飘逸”的大气层质量只占了木星总质量的1% [3](其实也不少了,3个地球那么重啊)。

朱诺号的重力数据解释了木星深浅条带一直延伸到云层以下3000km深。来源:NASA | 翻译:haibaraemily | 压制:尞祡

《中国科学报》 (2018-03-10 第2版 国际)

木星的内部:绵软的核,但保持刚体状态缓慢自转

图片 10重力场信号不仅可以反映大气和风的运动,还可以反映天体内部更深层的结构。木星最深处到底有没有固态内核?木星内部物质和外层大气层(条带结构和风)的自转速度相同吗?过去一些研究认为木星很可能只有一个小而致密的内核(冰石混合物),甚至没有固态内核[5]。科学家们对这些问题一直争议不下,直到这次分析了朱诺号传回的重力场信号。

朱诺号前3个观测周期的重力场探测结果表明,木星小而致密的内核外层可能有一个比过去预想要大得多的外核,两者一共延伸了约0.3-0.5个木星半径,但这个外核很可能不是紧致的固态物质,而是重元素与金属氢(富含氦)融合在一起的一种“绵软而稀释”的混合状态物质,这被称为“稀释的核”(dilute core) [6]

图片 11朱诺号重力数据推测的木星内部结构,整个木星核部分延伸了约0.3-0.5个木星半径。图片来源:参考文献[6]

后3个观测周期的重力探测印证了之前的结果——木星内核确实很可能有一层稀释的混合层。不过虽然不都是固态,但深浅条带以下的内部各层(核、金属氢层、液态氢层等)都以近乎刚体的形式在自转,速度比外层大气慢多了——至少要慢一个数量级[4]

更多精彩,拭目以待

图片 12虽然6个观测周期已经给我们带来了无尽的欣喜和惊讶,但对朱诺号来说,精彩还在继续。今年4月1日,朱诺号将进入第12个观测周期,这也是朱诺号任务计划中的最后一个观测周期。不过,由于朱诺号目前为止运转良好,传回的科学数据质量一直很高,科学家们已经在计划让朱诺号今年7月继续下一轮拓展任务[7]

遥远、神秘而气象磅礴的木星,接下来还会有哪些振奋人心的新发现? 让我们拭目以待。

图片 13木星云层之上。这张图拍摄于美国东部时间2017年12月16日,朱诺号距离木星云层只有13345 km,略大于地球直径,中心位置大约在木星北纬49.9度,分辨率9.3 km/像素。因为角度不是对着北极点正上方,所以图中没有明显的晨昏线交界(但右上角可以隐约看到一点暗色的阴影)。图片来源:NASA

致谢

本文严肃认真地鸣谢漠北和尞祡对文章内容的提升和优化所提供的帮助。

(编辑:明天)

参考文献:

  1. Adriani, A. et al. (2018). Clusters of cyclones encircling Jupiter’s poles. Nature 555, 216–219.
  2. Iess, L. et al. (2018). Measurement of Jupiter’s asymmetric gravity field. Nature 555, 220–222.
  3. Kaspi, Y. et al. (2018). Jupiter’s atmospheric jet streams extend thousands of kilometres deep. Nature 555, 223–226.
  4. Guillot, T. et al. (2018). A suppression of differential rotation in Jupiter’s deep interior. Nature 555, 227–230.
  5. Guillot, T., Gautier, D., & Hubbard, W. B. (1997). New constraints on the composition of Jupiter from Galileo measurements and interior models. Icarus, 130(2), 534-539.
  6. Wahl, S. M., Hubbard, W. B., Militzer, B., Guillot, T., Miguel, Y., Movshovitz, N., ... & Levin, S. (2017). Comparing Jupiter interior structure models to Juno gravity measurements and the role of a dilute core. Geophysical Research Letters, 44, doi:10.1002/2017GL073160.
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