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本文发表于《现代物理知识》2016 年第 4 期 (中国科学院高能物理研究所)。

太阳系行星的老大哥——木星

- 经典行星的故事 -

- 卢昌海 -

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木星
木星

一. 并非气态的气态巨行星

无论从体积还是质量上讲, 木星 (Jupiter) 在太阳系行星里都是当之无愧的 “老大哥”, 它的体积约为地球体积的 1,321 倍, 质量约为地球质量的 318 倍, 两者都比已知的太阳系所有其他行星的总和还大得多。 与这一身份完全相称地, 木星在罗马神话中被称为朱比特 (Jupiter), 是众神之王。

细心的读者也许会问: 在罗马神话出现的年代里, 难道人们就已经知道木星的巨大了吗? 答案当然是否定的。 那么, 当时的木星为什么会被冠以 “众神之王” 的威名呢? 是纯属巧合吗? 答案是: 不完全是巧合, 但确实也有巧合的因素。

这巧合的因素在于木星的公转轨道周期很接近 12 年 (确切地说是约为 11.86 年), 因此每年木星在所谓黄道带 (Zodiac) 上的角度移动约为圆周的 1/12。 另一方面, 包括古罗马在内的很多古文明都将黄道带分为 12 个星座, 每个星座的范围恰好约为圆周的 1/12[注一]。 因此木星的运动几乎恰好是每年经过一个星座, 在喜欢对一切都拟人化的古人眼里, 这运动便仿佛是巡视天空的 “君王” 的步履。

当然, 每年经过一个星座的未必一定得是君王, 也完全可以是跑腿递信的小角色。 木星为什么偏偏被想象成了 “君王” 呢, 是因为它很亮——无论以最大表观亮度还是平均表观亮度而论, 都仅次于月亮和金星, 是夜空中排名第三的最明亮天体。 不仅如此, 哪怕在最暗淡的时候, 木星的表观亮度仍比夜空中最明亮的恒星——天狼星 (Sirius)——更亮, 因此木星无论经过哪个星座, 都比那个星座里的任何星星都更亮。 木星的明亮当然不是巧合, 而是与它的巨大密不可分的。 这个并非巧合的因素与前面那个纯属巧合的因素合在一起, 便成就了木星 “众神之王” 的威名。

由前面提到的体积和质量不难推算出, 木星的平均密度是相当低的, 只有地球平均密度的 24% 左右, 与水星、 金星和火星相比也低得多, 是一个平均结构比较松散的家伙。 另一方面, 木星的自转在太阳系行星里却是最快的, 不到 10 小时就能转动一周, 其赤道上的旋转线速度高达每秒 12.6 公里, 比地球表面的逃逸速度还高[注二]。 一个平均结构比较松散的庞然大物自转得这么快, 一个可以预期的结果是它的形状会显著偏离球形。 据测定, 木星的赤道直径比两极直径长了 9,000 多公里 (相应的扁率约为 6.5%), 能塞下大半个地球。

望远镜问世之后, 人们开始对木星进行细致观测。 这种观测首先展示的是木星的大气层。 这当然是毫不意外的, 像木星这样巨大的行星有巨大的引力, 从而当然会有大气层。 但大气层下面的 “地面” 是什么样子的呢? 却有些扑朔迷离, 很多人费了很大的努力试图探明, 却全都失败了。 在那些努力中, 木星大气层里的一些颜色较暗的区域曾被当成是从云层空隙里透出来的木星 “地面”, 可惜关于这种 “地面” 的观测却从未得到过一致而可信的结果。 现在我们知道, 木星是一种跟水星、 金星、 地球及火星很不相同的行星, 虽然我们也谈论木星的 “大气层”, 但像木星这种行星的 “大气” 其实并非只是一个薄薄的 “层”, 而是以一种不存在截然界限的连续方式与内部物质融为一体的。 套用一句网络流行语来说的话, 在木星的整个外层区域里, “一切都是浮云”。

人们将这种行星称为气态巨行星 (gas giant)。

木星是气态巨行星这一特点从它超低的平均密度上也不难看出端倪来, 因为木星的平均密度跟太阳的相近 (两者分别约为 1.3 克/厘米3 和 1.4 克/厘米3), 而太阳在很大程度上是一个巨大的 “氢气球”[注三]。 进一步的研究表明, 在木星的元素组成中, 两种最轻的元素——氢和氦——分别占了总质量的 71% 和 24% 左右, 总比例约为 95%, 在外层大气中, 这一总比例更是高达 99% 左右。

不过, 气态巨行星这一名称并不表示木星是一个纯粹的气态星球。 像任何其他巨大天体一样, 在自身引力的压缩下, 木星的密度和温度都是外层低、 核心高: 外部是货真价实的气态, 内部物质的状态则相当复杂。 基于模型所作的研究显示, 在木星 “表面” 以下约 1,000 公里处, 巨大的压强将使氢渐渐由气态转为液态。 在深度约 10,000 公里处, 木星物质的温度达到了接近太阳表面温度的 6,000 摄氏度左右, 压强则高达约 100 万个大气压。 在那样的高温、 高压条件下, 构成木星物质主体的氢将变成所谓的液态金属氢。 液态金属氢是一种导电流体, 巨大的电流可在其中回旋。 一般认为, 木星那强度比地球大一个数量级、 位列太阳系行星之冠的巨大磁场便是源自那样的电流。 而在木星的最核心区域, 压强更是高达数千万乃至上亿个大气压, 温度也高达 20,000 摄氏度左右, 那里的元素组成包含了占木星总质量的比例虽不大, 但绝对质量仍比整个地球的质量还高一个数量级的重元素。 这种重元素的大致数量可以从对木星引力的细致探测中粗略地估计出来, 同时它的存在也是行星演化理论所预期的, 因为一般认为, 正是重元素组成的核心区域的巨大引力源源不断地将附近的气体吸积过来, 才最终喧宾夺主地形成了作为气态巨行星的木星。

木星核心的高温还有一个体现, 那就是木星向外辐射的能量比它从太阳吸收的能量更多, 而且多出的部分相当显著。 那额外能量是从哪里来的呢? 一个显而易见的来源就是从核心的高温区域逃逸出来的内部热量。 这种类型的热量逃逸在各个行星中多多少少都存在着, 但用来解释木星的额外能量却似嫌不够, 因为木星向外辐射的能量实在太多, 哪怕多出的部分也比来自太阳的总能量更多, 这使人们怀疑除内部热量的逃逸外, 还需寻找其他的能量来源。 这其中被认为较有希望的一个来源是木星的缓慢收缩。 星体的收缩会使星体物质的引力势能转变为热能, 这是一种人们早就知道的机制, 并且在 19 世纪时还一度曾被苏格兰物理学家沃特斯顿 (John Waterston)、 德国物理学家亥姆霍斯 (Hermann von Helmholtz), 及英国物理学家汤姆逊 (William Thomson) 等人视为太阳的能量来源。 可惜太阳发射的能量实在太巨大了, 绝非引力势能所能长期支撑, 因此这种机制很快就被淘汰了[注四]。 但木星的情况不同, 它辐射出的额外能量以行星标准来衡量虽然可观, 跟太阳却全然不可同日而语, 而且也并无观测证据显示这种辐射像太阳辐射那样持续了数十亿年。 因此木星的缓慢收缩作为额外能量的来源或来源之一是不无可能的。 计算表明, 木星的直径只要每年收缩几厘米, 释放出的引力势能就足以提供全部的额外能量, 而这样的收缩是与任何观测都并不矛盾的, 因此算得上是一种有希望的假设——当然, 也只是假设而已。

二. 狂暴的木星大气

木星是气态巨行星这一特点对我们的行星故事有一个很大的便利, 那就是没有了 “表面”, 从而也就不必介绍 “地貌” 了。 但另一方面, 气态巨行星顾名思义, 使 “气” (大气) 的地位大为提升, 因此在这方面需多费些笔墨。 不过, 迄今人们所能探测的木星大气还只是最表层的部分, 无论望远镜还是行星探测器都尚不能让我们窥视木星大气深处的奥秘。 在人类探测外太阳系的历程中, 早期的四大行星探测器——“先驱者 10 号” (Pioneer 10)、 “先驱者 11 号” (Pioneer 11)、 “旅行者 1 号” (Voyager 1)、 “旅行者 2 号” (Voyager 2)——都曾先后掠过木星, 拍摄了大量相片。 它们也没白干这差事, 而是都从木星的巨大引力场中获得了所谓的 “引力助推” (gravity assist), 达到了更高的速度, 并先后飞越了曾被视为太阳系边界的冥王星轨道。 除这些 “过路” 的行星探测器外, 人类还在 1989 年发射过一个旨在与木星 “亲密接触” 的 “伽利略” (Galileo) 探测器, 它于 1995 年抵达木星附近, 并向木星投放了一个大气层探测器。

那个大气层探测器以每秒约 50 公里的巨大初速度进入木星大气, 在将近 58 分钟的生存期内, 经历了摩擦产生的约 15,000 摄氏度的高温及相当于地球表面重力加速度 230 倍的巨大减速, 最终在压强约 23 个大气压、 深度约 156 公里的木星大气中层中 “失联”。 别以为气态巨行星是个软绵绵的东西, 它在某些方面简直要比坚硬的大地更严酷, 那个大气层探测器的最终命运有可能是在更深层的木星大气中被气化, 可谓是 “尸骨无存”。 而 “伽利略” 探测器本身在环绕木星飞行近 8 年, 拍摄了约 14,000 张相片之后, 也于 2003 年一头栽进木星大气层, 以同样悲壮的方式结束了自己的使命。

在针对木星大气——确切地说是高层大气——的观测中, 后者显现出的最鲜明的特征之一就是大范围的带状结构。 那些结构基本上与赤道平行, 颜色则大体上深浅交错。 为便利起见, 人们把颜色较深的区域称为 “带” (belt), 把颜色较浅的区域称为 “区” (zone)。 进一步的研究表明, “带” 是木星大气的低压区, 气体在那里下沉, “区” 则木星大气的高压区, 气体在那里上升。 木星大气的这种大范围带状结构是比较稳定的, 以至于天文学家们可以对它们作出比较固定的标注。 一般认为, 这样的稳定性并非偶然, 而是与木星自转平面与公转平面的夹角特别小不无关系。 木星自转平面与公转平面的夹角只有 3° 左右, 是已知的太阳系气态巨行星中最小的, 这使得木星上几乎没有季节之分, 从而也就没有季节之分带来的大范围大气运动, 这对维持大范围带状结构的稳定不无帮助。

除稳定性外, 大范围带状结构的起源也是一个问题。 木星大气为什么会形成这种 “带” 和 “区” 交错分布的大范围结构呢? 一般认为, 两个因素有可能起着主要作用: 一个是木星深处热量造成的大气对流, 另一个则是木星的快速自转。 这种设想具备一定的实验依据, 因为人们在实验室里已能定性地再现这种旋转流体中的对流形成带状结构的现象。 不过就算大体上能够解释, 细节上的复杂性却仍然不是当前理论所能覆盖的。 事实上, 只要将观测尺度稍稍缩小一点, 木星大气立刻就会展现出近乎无穷无尽的额外复杂性, 比如 “带” 和 “区” 的颜色、 宽窄等均非一成不变, 两者之间充斥着被称为 “喷流” (jet) 的风速达每小时数百公里的狂暴飓风, 等等。 木星云层的放大相片所显示出的层次之繁复, 有时简直能让人联想起诸如曼德尔布罗集 (Mandelbrot set) 那样的分形图案。

不过, 对这些额外复杂性作出定量分析虽极为困难, 但它们也跟木星深处热量造成的大气对流及木星的快速自转密切相关, 则几乎是不言而喻的。 这其中木星的快速自转尤其值得一提。 我们知道, 行星自转会在行星上产生所谓的科里奥利效应 (Coriolis effect), 它是大气中的大型漩涡运动的重要起因。 对于像木星那样快速自转的行星来说, 这一效应要比地球上的强劲得多, 由此产生剧烈的乃至狂暴的大气运动起码在定性上是不足为奇的。 此外, 木星自转还有一个重要特点, 那就是不同纬度上的自转快慢不尽相同。 这种被称为 “较差自转” (differential rotation) 的现象并非木星独有, 而是非固态天体 (比如外层同为气态的太阳) 或天体系统 (比如星系) 中的常见现象。 观测表明, 木星高纬度区域的自转周期比赤道附近区域慢了 5 分钟左右。 别小看这区区 5 分钟的差别, 对于木星那样的庞然大物来说, 它所对应的大气相对运动速度高达每小时近 400 公里, 比地球上最厉害的飓风的风速还高得多。 正是这些因素的共同作用, 塑造了千变万化的木星大气。

“旅行者 1 号” 拍摄的木星 “大红斑”
“旅行者 1 号” 拍摄的木星 “大红斑”

与大范围带状结构可以相提并论的, 是木星大气中的另一个引人注目的结构: “大红斑” (giant red spot)。 这是位于木星南半球的一个边缘风速达每小时数百公里的巨型反气旋 (anticyclone)[注五]。 “大红斑” 虽然应算局部结构, 但块头却异乎寻常的大, 以面积而论足可容纳好几个地球。 此外, “大红斑” 的存在时间也异乎寻常的久, 绝非地球上的任何气旋可比。 翻 “历史旧账” 可以发现, 人类很可能自 17 世纪后期开始就对 “大红斑” 有了陆陆续续的观测记录, 即便考虑到早期记录的不尽可靠, 可靠的记录也起码有一个半世纪以上。 在这么长的时间里, “大红斑” 的位置虽有所漂移, 块头虽有所变化, 却始终是一个巨无霸。 这种令人惊讶的稳定性是什么原因造成的呢? 一般认为, 首先可能是因为在气态巨行星上, “大红斑” 不会像地球上的飓风那样因为受到固态地面的阻尼而快速衰减。 其次, 大红斑上方和下方的云层中分别有往西和往东的巨大气流, 运动方向与大红斑边缘气流的方向相一致, 使得大红斑仿佛是夹在两个运动平板之间的球, 可以自然而然地维持滚动。

除结构外, 木星大气的另一个有待理解的特点是颜色。 事实上, 我们之所以能识别木星大气中这么多的结构, 一个很便利的原因就是那些结构可以通过颜色来识别, 比如 “带” 的颜色较深, “区” 的颜色较浅, “大红斑” 偏于红色, 等等。 这些颜色各异的结构究竟是由什么物质构成的, 才会显现出那样的颜色呢? 这在目前还没有完整答案。 但有一点是明显的, 那不会是像地球上的云层那样以水汽为主打, 因为木星离太阳比地球远得多, 虽有内部热源的帮助, 云层高处——也就是外部观测者所看到的云层——的温度依然在零下 100 摄氏度 (-100°C) 以下, 那里若有水汽的话将会处于永久冰冻状态, 不仅无法形成激烈变动的结构, 而且还会沉陷下去。 更何况从颜色上讲, 水汽跟木星云层中的那些结构也对不上号。

如果不是水汽, 那会是什么呢? 通过光谱学等手段所进行的研究显示, 东西还真不少, 比如有氨 (ammonia, NH3)、 氢硫化氨 (ammonium hydrosulfide, NH4SH)、 甲烷 (methane, CH4)、 乙烷 (ethane, C2H6)、 膦 (phosphane, PH3) 等等的成分。 这些成分处于动荡的对流之中, 再加上厚薄、 高低等等的各不相同, 在阳光照耀下会反射出各种不同的颜色。 当然, 这只是定性解释, 很多细节——比如某种特定颜色为何集中出现在某类特定结构中等等——则需要更细致的分析。 另一方面, 水汽在木星大气中也并非彻底缺席, 而只是倾向于沉到温度比较接近地球云层的地方而已。 水汽在木星大气中不仅存在, 所扮演的角色也并非如 “路人甲”、 “路人乙” 那样无足轻重, 比如木星云层中的闪电就被认为是像地球上的闪电那样是由水汽云团产生的[注六]。 由于木星大气的运动远比地球大气更剧烈, 有些闪电也远比地球上的闪电更厉害, 威力能达到后者 1,000 倍左右。

木星作为巨行星, 不仅自身的质量和体积都拿得出手, 而且还有一个庞大的卫星系统, 一扫内太阳系四大行星总共只有三颗卫星 (而且其中两颗——即火星的两颗卫星——简直就是两块石头) 的 “寒酸” 局面。 截至 2013 年, 已发现的木星卫星多达 67 颗, 是太阳系里最庞大的卫星系统。 在这些卫星中包括了除月球外最早被发现的四颗卫星: 木卫一、 木卫二、 木卫三和木卫四, 它们都是由著名科学家伽利略 (Galileo Galilei) 发现的, 故称为 “伽利略卫星” (Galilean moons)。 这四颗卫星都很巨大, 其中木卫三是太阳系里已知最大的卫星, 体积甚至比水星还大[注七]! 这些卫星中的木卫二——也称为 “欧罗巴” (Europa)——也是一颗重要卫星, 被认为有可能存在由液态水组成的地下海, 其中甚至有可能存在初等生命。

说到生命, 我们在 第三篇 中介绍稀有地球假设时曾经提到过, 稀有地球假设的支持者们把木星的存在列为了地球上出现高等生命的条件之一, 原因是木星有助于扫清太阳系空间里的陨石。 这一点所起的作用——如我们在 第三篇 中提到过的——是有争议的。 不过木星对陨石的清扫能力倒并不是吹牛, 而是在过去短短几十年间就展现了不止一次, 其中最著名的是所谓的 “苏梅克-列维 9 号彗星” (Comet Shoemaker–Levy 9) 撞击木星事件。

“苏梅克-列维 9 号彗星” 是 1993 年由美国天文学家苏梅克夫妇 (Eugene Shoemaker 和 Carolyn Shoemaker) 及 “老搭档” 加拿大天文学家列维 (David Levy) 共同发现的[注八]。 被发现时这颗彗星位于木星附近, 并且已裂成了很多碎片, 其中大碎片的线度约为 1-2 公里[注九]

“苏梅克-列维 9 号彗星” 被发现之后, 天文学家们照例计算了它的轨道, 结果发现它正走在了一条 “死亡之路” 上——其各大碎片将于 1994 年 7 月, 在为期约一周的时间里, 先后与木星相撞。 可惜的是, 撞击点位于木星相对于地球的背面, 无法从地球上直接观看撞击过程。 但木星的快速自转使撞击点在撞击后不到一小时就能转到木星正面, 向我们展示撞击遗迹。 在巨大的木星引力作用下, “苏梅克-列维 9 号彗星” 撞击木星的威力是很惊人的, 与木星大气摩擦产生的温度高达约 24,000 摄氏度 (24,000°C), 大碎片的撞击能量相当于引爆数百万个百万吨级氢弹, 爆炸产生的 “火球” 可窜升至木星云顶以上约 3,000 公里处。 这样的碰撞若发生在地球上, 即便会因地球的引力较弱而威力稍逊, 仍足以对整个生物圈造成毁灭性打击。 木星作为气态巨行星, 虽早已不是外星生命的热门侯选地, 但仍有人设想在木星大气中温度适宜的区域里存在浮游生物。 这类设想大都忽略了木星直到今天仍会每隔几千年这种从天文及生物演化角度讲非常短的时间间隔, 就遭受一颗像 “苏梅克-列维 9 号彗星” 那样规模的陨石撞击, 这对于任何生物的存在都是极具摧毁性的。 从某种意义上讲, 木星对太阳系空间的清扫作用对任何有可能栖居在木星上的生物本身也是一种清扫。

关于木星我们就介绍到这里, 接下来将要拜访的是太阳系最外侧的 “经典行星” (classical planets)[注十]——她同时也是太阳系最美丽的行星, 虽然她不仅不像金星那样顶着 “阿佛洛狄忒” 或 “维纳斯” 的美名, 而且还有一个特 “土” 的中文名字叫做土星。

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注释

  1. 将黄道带分为 12 个星座的做法本身的原因已不可考, 最有可能是因为一年有 12 个月, 但也有人猜测木星的公转周期很接近 12 年才是原因。 若后者成立, 则我们所说的巧合因素将不再是巧合。
  2. 地球表面的逃逸速度也叫 “第二宇宙速度” (second cosmic velocity), 是摆脱地球引力束缚所需的等价速度, 数值约为每秒 11.2 公里 (对这一速度的含义及推算感兴趣的读者可参阅拙作 火箭: 宇航时代的开拓者第 2 节)。 不过, 木星赤道上的旋转线速度虽高, 却不必担心物质会飞散, 因为木星 “表面” 的逃逸速度比地球的高得多, 达到每秒约 59.5 公里。
  3. 具体地说, 在太阳的总质量中约 71% 是氢, 27% 是氦。
  4. 对这种用引力收缩解释太阳能量的提议感兴趣的读者可参阅拙作 太阳的故事第 8 节。 这种提议被称为 “引力说”, 也叫做 “开尔文-亥姆霍斯机制” (Kelvin–Helmholtz mechanism)——其中的 “开尔文” 是因为汤姆逊就是后来的开尔文勋爵 (Lord Kelvin)。
  5. 在地球上, 南半球的大型气旋通常是顺时针旋转的, 称为气旋 (cyclone), 木星的 “大红斑” 在这点上与地球上的情形恰好相反, 是逆时针旋转的, 故称为反气旋。 之所以会有这种差别, 是因为木星的 “大红斑” 是一个高气压, 而地球上的大型气旋通常是低气压, 两者在由行星自转产生的科里奥利效应的作用下恰好会产生相反的旋转。
  6. 这一点并不是偶然的, 水分子是所谓的极性分子 (polar molecule)——即正负电荷中心相互错开的分子, 且极性较大——即错开的程度较为显著。 这种分子的正负电荷容易被分离, 而分离的正负电荷数量积累到一定程度时就会形成闪电。
  7. 不过由于水星的密度——如我们在 第一篇 中介绍过的——超高, 以质量而论要比木卫三大得多。
  8. 细心的读者也许会问: “苏梅克-列维 9 号彗星” 中的 “9 号” 二字从何而来? 那是因为苏梅克等三人乃是寻找彗星的老手, “苏梅克-列维 9 号彗星” 是他们联手发现的第 9 颗彗星。
  9. 是谁把 “苏梅克-列维 9 号彗星” 裂成碎片的呢? 最有可能的 “凶嫌” 是木星的巨大潮汐作用。 不过这 “凶嫌” 对天文学家来说倒是帮了大忙, 因为在离太阳如此遥远的距离上, 彗星上的易挥发物质尚不会挥发, 若不是裂成碎片增加了对阳光的反射, “苏梅克-列维 9 号彗星” 是很难在那样的距离上被发现的。
  10. 这里所谓的经典行星, 是指自水星、 金星、 地球、 火星、 木星、 土星这六颗早在远古时候就为人们所知的太阳系行星——虽然那时候地球的身份不是行星。

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网友讨论选录

  • 新浪博友: 海伯利安魂曲   (发表于 2016-03-03)

    最喜欢的行星。

  • 新浪博友: RT大兵   (发表于 2016-03-03)

    这个系列写的时间间隔太久, 都忘了你前面写的了。:(

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2016-03-03)

    这个系列每篇都是独立的, 无需记得前面。 至于速度嘛, 已经很快了——尤其是跟 天机当铺 比。:-)

  • 新浪博友: 有豆腐脑吃   (发表于 2016-03-04)

    写的特别好, 全面而且通俗、 流畅。

  • 新浪博友: RT大兵   (发表于 2016-03-06)

    刚才在 NASA 的网站上看到他们 4 号发的一个小视频: Close Encounters with Jupitor。 在楼主发贴后一天上线, 可以算是 NASA 给博主最大支持了。 看了之后即刻对博主写的好多东西有了直观的印象。 还有他们即将上线 Juno 专栏, 值得关注。

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