神秘的木星:太阳系的“恶霸” 可能要消失了

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  【“朱诺号”木星探测器】

  木星是太阳系内的最大的行星。它是当之无愧的“老大”。

  可以说,我们今天在太阳系看到的一切……所有的小行星、所有的行星、卫星、彗星和所有的一切,都受到木星的影响,无论是过去还是现在。

  2011年8月5日,从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角点火升空的“朱诺号”木星探测器的使命就是为了揭开这个“老大”的真面目。2016年美国独立日那天,“朱诺号”抵达木星。

  “朱诺号”木星探测器的任务很艰巨。虽然向其他星球发射任何一艘宇宙飞船都是很困难的,但向木星发射一艘宇宙飞船却是件非常困难的事情。

  “朱诺号”必须以非常高精度在太阳系中穿行。必须与剧烈的温度变化作斗争,并要小心翼翼地穿越小行星带。如果在穿行的路径上有一小块尘埃撞上飞船,就会造成严重的损害。

  经过了27亿公里的跋涉,在到达目的前,又要面临另一个棘手的问题:探测器正以每小时266000公里的速度冲向木星,它移动得非常快,是有史以来速度最快的航天器之一。

  此时,如果探测器不减速的话,虽然木星有着很强大的引力,但面对如此极速的探测器却也力不能及而无法捕获。

  所以“朱诺号”必须非常精确地减速,如果弄错了,“朱诺号”可能会撞上木星,或者漂向外太空。

  要想成功地让“朱诺号”进入木星的稳定轨道,这几乎就像从伦敦投篮球然后把球精准地投入纽约的篮筐里。

  

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  “朱诺号”木星探测器

  通过对木星的观察,“朱诺号”让我们看到了我们太阳系内行星系统的历史,甚至是地球的历史。

  【木星有核心吗】

  木星有着迷人的外表、厚重的大气层、以及持续了数百年的“大红斑”等等。然而科学们最想知道的却是“木星有核心吗?”

  你可能会想,它当然有核心,就像所有行星都有核心一样,地球有核心,所有星球都有。

  然而,事实证明,木星可能不会有核心。

  想知道一颗行星的核心是什么,可以让科学家把时间倒回到数十亿年前行星的形成过程。

  如果“朱诺号”能够揭示木星内部的秘密,它将改变我们对这颗气态巨行星形成过程的理解。

  如果“朱诺号”发现了一个固体内核,这可能意味着木星最初形成时是一个像地球一样的岩石行星,然后不断增长。但如果“朱诺号”没有发现内核,这可能意味着木星跳过了岩石阶段,直接由一团气体云形成。

  回答这个问题也可以为科学家们解开其他的谜团。

  那么,当看到的只有云层的顶部时,你如何探测行星的内部呢?不可思议的是,你可以利用引力。

  当“朱诺号”绕木星运行时,它能在轨道上感觉到木星引力的微小变化,因为木星引力尖峰在拖曳着飞船。

  事实证明,木星的某些部分比其他部分密度更大。如果木星有一个实心球,那么当“朱诺号”经过它时,在云层顶部上方经过时,轨道和轨迹会非常平滑。

  但事实上,如果木星有层或者有质量更多的地方和有质量更少的地方,那么它对“朱诺号”的引力就会有点不同。飞过质量集中的区域会使“朱诺号”的速度加快。

  所以对于地球上的工程师来讲,他们所要做的事情就是不断问:

  “它现在移动的速度有多快?”

  “现在呢?”

  “现在又怎么样?”

  然后就可以绘制出一张木星上位于宇宙飞船下面的质量的地图。“朱诺号”的仪器开始绘制这颗气体巨行星的心脏,第一次揭示了这个神秘的核心。

  “朱诺号”发现的木星中心是一种无定形物质,一种模糊的东西。如果它的内核是金属和岩石,那么它并不像我们想象的那么坚固。但那里确实有一些东西在行星的中心。

  “朱诺号”探测到氢和岩石物质溶解并混合在一起。这是一种科学家们从未见过的行星内核。天文学家形容它是模糊的。

  在此之前,科学家们以为木星的核心像“牛油果”,结果他们发现木星的核心却像是“辣椒酱”。

  这意味着科学家们之前对木星形成的理论都是错误的。

  所以现在有一种新的理论认为:木星不是由岩石或气体形成的,而是由46亿年前散落在早期太阳系中不到一英寸宽的小石子形成的。这些“鹅卵石”聚集在一起,它们聚集形成了一个巨大的物体,就像木星的种子,也就是木星的核心。

  这些“卵石”聚集在一起形成了一个巨大的星核,它的质量是地球的20倍。但是这些鹅卵石不能支撑这个不断增长的星球太久。

  随着木星的增长,它的胃口变得无法满足,其他可能成为行星的行星核心被木星巨大的引力所吸引,并在撞击时被吸收,导致木星的核心发生变化。大块进入的岩石与气体和最初形成星核的鹅卵石混合在一起。

  科学家们认为,可能存在于那里的核心物质实际上已经溶解,并与星球的其他部分混合在一起。这种岩石、气体和卵石的混合物使核心处于一种奇怪的状态:介于固体和液体之间,换句话说,就是模糊的。

  一旦木星的核心达到临界质量,它的引力就会吸收附近所有的氢气,形成木星大气层。而模糊的核心则被困在数千英里厚的云层之下。这就是我们今天所知道和喜爱的木星的形成。

  “朱诺号”对木星模糊核心的发现可能会改写关于木星早期的故事。

  【木星的大蓝点】

  对于“朱诺号”来讲,它的任务才刚刚开始,同时对它的考验也才刚刚开始。

  因为,木星的环境是太阳系中最恶劣的环境之一,它有着仅次于太阳的难以置信的强磁场。“朱诺号”就身处其中,这是一个无形的威胁,同时也是“朱诺号”的关键任务之一:调查木星的磁场。

  在暴风肆虐的木星的星球表面深处,液态金属氢在星球周围无休止地流动产生了巨大的磁场。这个磁场延伸到土星之外超过9亿公里的地方。

  如果人类的眼睛能看到木星的磁场,那么当你站在地球上看到它时,它在天空中看起来就像月亮一样大。

  木星巨大的磁场,除了它在空间上非常巨大,在力量上也是如此。来自太阳的高能粒子被这个巨大星球的磁场引导进入致命的辐射带。磁场捕获了来自太阳的带电粒子让它们绕着太阳系循环然后轰击附近的任何物体。

  当然也包括我们脆弱的小宇宙飞船。离星球更近的地方,辐射水平高达30倍,比切尔诺贝利灾难时反应堆核心室的辐射水平还要高。

  这是辐射,也是个坏消息。这些粒子会袭击你的身体,它们会破坏DNA,破坏细胞结构,你会死亡。

  这种强烈的辐射对宇宙飞船来说也是个坏消息。这些带电粒子可能会摧毁电子和导航系统,但所幸“朱诺号”已经穿上了盔甲。

  所以与其说“朱诺号”是精致的宇宙飞船,还不如说,它是一辆“坦克”。科学家们在飞船上放了几百磅的钛,就是为了保护“朱诺号”不受木星“米格战机”的袭击。

  “朱诺号”1.5英寸厚的屏蔽层阻挡了木星99%的有害辐射,但即使以这样的装备,“朱诺号”也无法在袭击击中存活太久。所以它将自己置于环绕这颗气态巨星的独特轨道上。

  实际上它的轨道很长,大部分时间都在很远的地方,然后每隔一段时间,它就会俯冲进去,然后再快速安全地离开去通信和处理。就好像是彗星俯冲进太阳系一样。

  “朱诺号”之所以要冒险潜入这些辐射带,是因为它要绘制木星巨大的磁场图。它揭示了一些科学家从未见过的东西。

  当你观察地球时,我们有一个相当简单的磁场,它就像一个巨大的条形磁铁,有南北磁极。

  好吧,木星也有,这叫做偶极场,木星也有两个极点。然而,木星还有第三个极点!

  “朱诺号”的磁场地图显示了南极和北极以及赤道上的奇怪磁场干扰,就像木星刚刚长出了第三只手臂。

  

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  木星的磁场地图

  在磁场地图上,北极是红色的,南极是蓝色的,而在赤道上有第二个蓝色的点即第二个南极。科学家把第二个南极叫做大蓝点。

  每个人都知道木星的那个大红斑,现在我们有了一个新知,那就是木星上还有一个大蓝点。

  磁场的扰动反映了木星暴风雨般的内部。木星内部的湍流可能会扭曲磁场,来驱动巨大的蓝点和致命的辐射带。

  与地球不同的是,木星在很大程度上并不是一个固体质量,所以它所有的云和气体都在以略微不同的速度移动。这实际上使得产生的磁场产生了非常多变的变化。

  对于地球来说,要像木星一样拥有可变磁场,整个地球都必须是熔化的。我们真的不希望这样的事情发生。

  【木星的历史】

  随着对木星的深入了解,科学们意识到木星是太阳系形成的关键,也以这也意味着了解木星也是了解地球如何形成的关键。

  46亿年前,一团氢气和宇宙尘埃崩塌引发核聚变。由此在混乱中产生一颗恒星,四颗岩质行星和四颗气态巨星诞生了,并形成了我们的太阳系。

  太阳系有这些不同的区域:内部有岩石和金属,外部有丰富的气体和水。之所以这样,是因为离太阳近温度更高,离太阳越远,温度越低。

  但是地球似乎打破了这种模式,我们星球上的水比理论预测的要多得多。地球形成于太阳系内部,因为它非常接近太阳,所以它应该非常干燥。

  我们的星球离太阳只有一亿五千万公里,这使我们处于科学家所说的雪线之内。在这条线内,太阳有足够的能量在行星形成过程中蒸发水分。

  在雪线内,温度很高,附近有大量来自太阳的能量,这些气体和富含冰的物质就不可能存在,它们都被太阳的热量蒸发掉。

  我们的水世界应该是太空中的一块干燥的岩石,所以地球非常非常早的时候,水并不会在地球上。那么后来地球上的水是怎么来的呢?木星可以解开这个谜团。

  通过“朱诺号”对木星的研究,科学家们追溯了这颗巨大行星的历史。

  我们现在已经知道行星在形成的过程中会接近太阳移动,也会远离太阳移动。那么我们如何知道木星是在哪里形成的呢?

  关键是有多少水锁在木星内部。如果我们能了解木星是如何与水建立联系的我们就能了解水是如何在整个太阳系中分布的,包括在地球上。

  如果“朱诺号”能够测量木星的含水量它将解开一个长达20年的谜团。

  1995年12月,NASA的伽利略号探测器向木星大气层进行致命的俯冲。当它这样做的时候,它就能够测量它周围的大气并探测是否有水,但事实是——它没有探测到任何水。

  木星的大气层看起来怎么会非常干燥呢?如果伽利略探测器的结果是正确的,那么46亿年前木星形成于离太阳更近的地方。不死心的科学家们这次派遣“朱诺号”去征求第二次意见。

  “朱诺号”是一架轨道飞行器,它装载了各种仪器和探测器来观测木星。这次“朱诺号”不需要冒着生命危险去寻找水源了。

  探测器通过木星厚厚的云层,使用微波辐射计从安全距离探测水。利用这些微波“朱诺号”绘制了一幅木星水的全球地图。

  “朱诺号”发现木星上有大量的水。至于那个可怜的“伽利略号”,它只是碰巧撞上了一个干燥的地方。事实上,如果它进入几乎任何其他地方,它都能看到大量的水。

  现在看来,木星并不是在现在的位置形成的。最主要的理论是木星形成于雪线之外,在干燥的内太阳系和潮湿的外太阳系之间的边界。

  但我们发现木星离太阳的距离是原来雪线所在位置的两倍。所以这告诉了我们一些有趣的事情:木星可能偏离了原来的位置。

  木星刚形成的时候,周围充满了各种气体和各种物质。这些物质减慢了木星公转的速度,由于太阳的引力作用,于是木星开始螺旋向太阳系内移动。

  随着木星向内的移动,由于木星是最大的行星,它是“老大”,所有的东西都为它而动。这就给内太阳系的行星和星子带了混乱。它还“抢”了本该属于火星的“食物”。

  眼看木星将进一步往太阳系内部移动,火星、地球及金星都将岌岌可危。如果木星在太阳系内部停留的时间再长一些,它将几乎会清除掉太阳系内部所有岩态行星,而我们也就不会在这里了。

  转机出现了,土星形成了。土星是太阳系中仅次于木星的行星,由于其巨大的引力,把木星拉了回去。

  “恶霸”终于离开太阳系内部了。但随着木星向太阳系外推进,这个“恶霸”为了“泄愤”竟然将富含冰的小行星和彗星抛向太阳和地球。

  没想到的是,这最终为地球带来了很多海洋。

  “朱诺号”帮助我们回答了为什么我们的地球虽然离太阳这么近,但仍然适合居住。

  因此,让“朱诺号”远道而来进行近距离观测木星是值得的。

  【木星上的大红斑】

  没有什么比木星的大红斑更具有标志性了。地球上的人几乎都知道木星有个大红斑。在我们整个太阳系中,木星的大红斑是独一无二的。

  然而“朱诺号”对这个大红斑进行深入探测后,揭示了这个有300年历史的气旋可能很快就会消失。

  当“朱诺号”在大红斑上翱翔时,它看到的是一场直径超过一万六千公里的风暴。

  这是最极端的风暴,风以每小时640公里的速度持续吹着。在地球上,最强大的5级飓风几乎可以造成完全的破坏。但它们的威力还不到木星风暴的一半。这个大红斑是你所能想象到的最强大飓风。

  

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  木星上的大红斑

  “朱诺号”的微波辐射计使科学家们第一次能够透视木星的云层。“朱诺号”上的仪器可以观察到风暴中心根源有多深。它观察到星球表面以下的温度变化,这些变化遵循风暴的标志性形状,在木星大气层深处追踪大红斑的根源。

  科学家们发现大红班深入大气层约320公里,这是地球上绝无仅有的。我们星球上最大的气旋可以达到16公里的高度,但是木星的大红斑是它的20倍。

  木星巨大的,动荡的大气层承载着人类所见过的最深的风暴。“朱诺号”的发现让科学家们觉得这个大红斑有可能解释木星的另一个神秘之处,即木星温暖的大气层。

  木星在太阳系外部,一切都很冷,当离得那么远的时候,太阳会很暗。木星离太阳的距离是我们地球的五倍。所以它从太阳获得的能量只有我们的4%。

  但是木星的大气层中有某种东西在加热。它的某些部分的温度比我们用太阳光所能解释的温度要高很多倍。

  问题是,这些能量从何而来?

  当“朱诺号”再次对准了这个大红斑,科学家们发现这个大红斑的飓风是由木星核心深处的热量驱动的。木星核心的运动非常剧烈和混乱。

  和地球上的风暴一样,木星的风暴也会产生雷暴。轰隆的雷声发出的声波穿过暴风雨。

  声波是一种压力波,是空气分子或水分子被压缩的压缩波。它们被挤在了一起。当你把某物挤在一起时,它们会靠得更近,就会变得非常热。

  这些声波在风暴的上方800公里处爆炸,将声波能量转化为了热量。这些声波碰撞在一起产生了巨大的能量,并加热了周围的气体。几百年来,木星的大红斑一直在帮助木星加热大气层。

  木星的红斑太大了,比地球还要大得多。它看起来非常稳定,似乎一直在那里,永远都会在那里。

  但科学家们发现了变化。

  当美国国家航空航天局的旅行者号太空探测器在1979年造访木星时,它观测到是一场两倍于地球直径的风暴。

  

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  1979年旅行者号拍摄的木星

  

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  2017年,“朱诺号”拍摄的木星

  然而2017年,“朱诺号”的图像显示,这个大红斑的宽度减少了三分之一,但这还不是全部,尽管风暴在减弱,但它实际上在长高。

  大红斑正被拉长并被迫进入木星的高层大气。大红斑中的风暴有点像陶工旋盘上的粘土。当你把双手靠近陶土时,你的手越近,陶土就越高。

  同样,对于风暴来说,当底部变得越小它就向高层大气升高,并升得越来越高。

  地球上的风暴也有同样的作用,当风暴这样做时,风切变实际上会把风暴的顶部扯下来,把它拉扯开。

  所以在未来几年中,科学家们将密切关注它的去向,看看木星上是否也会发生这种情况。木星高空的风,是否会将这个标志性的风暴撕成碎片。

  也许只是时间问题,太阳系中最著名的风暴可能很快就会消失。

  【木星的北极】

  大红斑是木星上正在发生的一场风暴,但不是唯一的一场风暴。

  在“朱诺号”之前,科学家们看到的木星非常有限,从来没有飞越过两极。

  因为这在木星上是很难做到的。过去没有一个探测器成功过。而“朱诺号”是目前为止唯一成功飞越了木星两极的探测器,首次揭示木星神秘的极地。

  当科学家们第一次观测到木星的北极时,它看起来一点也不像我们认识的木星。

  “朱诺号”的相机显示出一片奇怪的蓝色区域,这让科学家们困惑不已。然而在蓝色云层中发现的东西,更为奇怪。

  

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  木星的北极

  巨大的中央气旋以每小时320公里的速度围绕着每一个极点旋转。这些气旋被北部的八个风暴漩涡和南部的五个风暴漩涡包围。

  这些奇怪的气旋,巨大的漩涡围绕木星两极旋转的气体漩涡,它们显然正在形成图案。

  北极中心气旋就在极点,直径4000公里宽,几乎和美国大陆一样大。那里发生了什么?这和我们在地球上看到的完全不同。

  在地球上,我们的天气是由来自太阳的热量驱动的,太阳的热量撞击在地球的赤道上并流过地球的表面。强大的气旋在热带水域上空形成并环绕地球移动。但极地地区从太阳获得的能量较少,所以气旋无法在两极形成。

  如果在赤道,天气会更暖和,暴风雨也更猛烈。如果你在两极,那里太阳比较难看到,这种活动就会消失。

  但是木星上的天气,完全不同。科学家们在木星的两极看到闪电和对流雷暴,但在赤道上看不到。

  这与我们在地球上看到的情况有点相反。

  问题是,是什么驱动了木星的风暴?

  木星离太阳的距离是地球的五倍,只能接收到太阳能量的一小部分。与地球不同,木星的两极区域,似乎是活动发生的地方,某种东西在驱动这颗行星的怪异天气。

  “朱诺号”对这颗巨大行星的热辐射的扫描表明,这个东西可能就是木星本身。

  实际上可以看到木星内部的热量正在从顶部冒出来,所以在我们可以看到热量的区域木星看起来非常亮。

  

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  木星的热辐射图

  木星有非常多的物质,非常多的质量,同时也有非常多的引力,以至于其内部密度非常高。所以温度也非常高,在核心,它可能比太阳表面要热几千度。

  这个被埋在木星黑暗中心的火海是数十亿年前木星诞生时留下的遗迹。

  形成这颗行星的剧烈碰撞让它的核心变得滚烫。这种热度一直持续到今天,被埋在数千英里的绝缘气体之下。

  随着热量慢慢向外泄露,木星快速旋转的大气层就会产生恶性气旋和雷暴。这就是天气变化的真正原因,不是来自太阳,就是木星本身。

  当“朱诺号”在这颗行星上翱翔时,它揭示了另一个天气之谜。

  探测器探测到每秒四次的无线电波爆发——这是强烈闪电袭击的信号。

  云层在大气中移动,积聚了电荷并导致闪电形成。这是比地球上大几个数量级的特大风暴。

  “朱诺号”发现这些雷雨云的巨大的冰雹由水和氨组成,这种化学物质使木星的云呈现出橙色。在木星大气层的高处,氨气和水混合在一起,变成了一个液体球。开始在它周围聚集冰,然后它会像冰雹一样落到木星大气层深处。

  在地球上,冰雹落在地上然后融化。

  但是在木星上,它没有地面。由于上升气流的作用,冰雹在大气中被抬升,然后有更多的冰,它变得更大,然后它再下降,接着又被带回来。

  所以冰雹通常是多层形成的,这些冰球一层一层地生长,它们在大气中上下翻飞。如果这些风暴是在地球上形成的就会造成严重的破坏。

  所以,如果你在木星大气层中飞行,而且你就在风暴的附近。那么,很不幸,你可能会被上升或下降的冰雹击中。

  这是整个太阳系中最猛烈能量最大的大气层之一。

  【木星的极光】

  当“朱诺号”研究木星上来自极光的光线时,发现了一些非常奇怪的事情,木星上的极光比地球上的极光要大得多。两极附近的极光环比地球本身还要大。

  而且,极光主要发射紫外线和x射线,所以用肉眼是看不到的。但如果你能看到它们,并且你就在木星上,那将是一场令人惊叹的光秀。

  木星位于太阳系外的深处,离太阳很远,所以不可能是太阳光造成的。那么它们是从哪里来的?

  为了寻找答案,“朱诺号”用它的紫外线成像光谱仪拍下了一张木星南极光的照片。在极光内部,它瞥见了一些奇怪的东西。

  

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  木星南极的极光

  在紫外线下观察,就会看到一个热点,这个热点标志着大量带电粒子撞击。

  通过追踪它们的轨迹,发现木星耀眼极光的罪魁祸首——木星卫星上的火山。

  木星的卫星木卫一(伊娥)上有数百座活火山,它们向太空中喷射物质,其中许多被木星的磁场所困。

  木卫一的火山喷射出带电粒子流,这些粒子流被这颗巨大行星的磁场扫过,并将这些粒子汇集到木星大气中的特定点上。

  但是木卫一并不是唯一一颗导致木星极光的卫星。木卫二(欧罗巴)、木卫三(加尼米德)、木卫四(卡利斯托),这些都很冰冷卫星,它们不一定有火山。但其中一些卫星有磁场与木星的磁场相互作用,这实际上加强了木星上的极光。

  于是在木星与卫星的共同作用下,激发了太阳系中最大的极光。

  

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  木卫一的火山在喷发

  

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  木星上极光产生示意图

  木星上的极光非常美丽的,但对于“朱诺号”来说,拍下这个美丽照片的同时,它也遭受了一次又一次的致命辐射。这些辐射不仅仅是对人类来讲是致命的,也同样对“朱诺号”探测器的寿命有影响。

  在未来,很多仪器都会被辐射过度而不能正常工作。当“朱诺号”的钛盔甲最终失效时,木星致命的辐射将会使飞船无法修复。

  所以团队计划进行绚烂地终结,将朱诺推进木星的大气层。在那里飞船将被撕成碎片,最终,它会被吸引到木星的深处,成为木星本身的一部分。

  也许,这是“朱诺号”最好的归宿。因为木星是以罗马神话中天神“朱庇特”来命名的。而“朱诺”在罗马神话是朱庇特的妻子。所以“她”可以与“丈夫”永远在一起了。

  当然,但在那之前,“朱诺号”还有很多谜团要解开。科学家们期望“朱诺号”能够带来更多的“惊喜”。

标签: 神秘 木星 太阳系

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