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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

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孙 (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

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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 的 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 的 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” 是因为汤姆孙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。

2016 年  2 月 24 日完稿
2016 年  3 月  3 日发布
https://www.changhai.org/

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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。:(

• 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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