行星之王木星 | 星星背后的物理图1：朱诺号拜访行星王美国宇航局的“

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图1：朱诺号拜访行星王

美国宇航局的“朱诺号”飞船，经历长达5年的旅行后，于2016年7月4日晚11时53分（美国东部时间），成功地进入环绕木星轨道。开始它长达20个月的观测任务。木星不像地球有固态的表面，是一个气态行星。一个人到木星上站也站不住的“气体”星球，表面温度极低，大气中也没有氧气，显然不可能存在智慧生命，但科学家们却十分感兴趣探究它，三番五次派来使者，究竟是为什么呢？

小太阳系

木星是太阳系中最大的行星，体积大到可以容纳1300个地球，的确堪称太阳系中的巨无霸。虽然“霸王”的体积是地球的一千三百多倍，但质量却只有地球的三百倍，这是因为它不如地球那么坚固致密，属于气态巨星。不过，它的质量仍然超过了其他行星质量总和的2.5倍。

尽管在望远镜发明之前，人类应该并不确切了解木星之大，但古人的直觉惊人，在许多文化中都不约而同地将木星捧为众行星之王，西方以古罗马神话中的众神之王“朱庇特”（Jupiter），来命名它，也就是相当于古希腊神话中统领宇宙的天神宙斯。

中国古代将木星称为“岁星”，因为它绕太阳运行一周的时间为12年，与中国古代纪年历法中的地支相同，也正好是民间使用的生肖的轮回周期。中国古人还认为地球上农业的丰收兴旺或饥荒灾害等，均与木星运转周期（12年）有关系，他们将岁星看成是主管农业的星官，地位极为崇高，所在之处将五谷丰登，因此建造专门的庙宇来供奉岁星。所以，在中国古人的眼中，木星就像一个挂在天上的大钟，它有规律的运行，记录和主宰着天干地支，生命轮转，象征着农业兴衰，五谷丰谦。

从1609年伽利略发明望远镜观测天空开始，400多年来，人类从未间断过对木星的探索。特别是上世纪50年代进入了航天时代以来，已经有多个航天器飞掠过了木星附近，给科学家带来了有关木星的第一手宝贵资料。这颗巨星谜团多多，有许多特别之处吸引着天文学家们。

就观测效应而言，木星表面看起来有红、褐、白等五彩缤纷的条纹，类似木纹，难怪我们的祖先称此星为“木”。有时又使人感觉木星表面的纹路类似大理石。最奇怪的是，“纹路”中还夹着一块令人印象深刻的大红斑，见图1。这是一个椭圆形的风暴中心，是一个巨大的漩涡，看起来呈现红色。

木星的第一特点当然是“大”。尺寸只比太阳小一个数量级，比起地球来，则要大一个数量级，见图2中的左图。木星大到你可以说它并非绕太阳转，而是它和太阳一起绕着它们两者的“质心（质量中心）”转动。如果简单地考虑两体运动模型，对于地球来说，因为太阳比地球大太多，它们的质心基本上与太阳中心重合，因此，地球是“真正”绕着太阳转。而木星和太阳的质量中心，已经偏离到了太阳表面上，所以结果是木星和太阳都绕着质心转，木星转大圈，太阳转小圈。

木星除了公转之外，也有自转。木星的自转速度也是破纪录，是太阳系所有行星中最快的，完成一次自转所需的时间少于10小时。

不妨作一个有趣的设想：假设你掉到了木星上，接下来会发生些什么呢？毫无疑问，你即使不死也会被折腾得够呛，或者说叫做“生不如死”。首先，木星的大气中没有“氧”（这也是木星的未解奥秘之一），当然我们假设你携带了足够的氧气。其次，你将经受巨大的、时速上百公里的超级风暴和致命的辐射（后面将介绍），当然我们假设你的宇宙服先进得足够，能使你抵挡辐射幸免遇难。然后，如果我们考虑木星巨大得质量和体积的话，它表面的重力加速度将是地球表面的2.5倍。因此，你将以极高的速度穿过木星的大气，就地球上常见到的“流星”一样，被燃烧成为灰烬。

假如你历经磨难侥幸活了下来，并到达木星的所谓“表面”。但你没法站立，因为木星的表面只不过是一个从气态过渡到液态的氢和氦的混合“海洋”！你在海洋中逐渐下沉，再下沉……你将看到些什么？感觉如何？沉到何时为止？这取决于木星的内部结构和成分。遗憾的是，科学家们对这些稀奇古怪的问题仍然知之甚少，只能大概作一个粗线条的简单描述。

深入木星内部

如果将木星像切西瓜一样剖开，其内部逐层过渡，压力和温度随深度不断增加，如图3所示。由于压力升高，气态氢（氦）将变成液态，液态氢再变成金属氢。在木星表面的大气顶层，温度只有零下几百摄氏度，但到了液态氢那一层，温度可达8000摄氏度，甚至比太阳表面温度还要高。高温高压的液态氢看起来像滚烫的岩浆，汹涌澎湃。

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图3：木星的内部结构

探测木星的物质组成及内部结构，是朱诺号木星探测器想要探测的秘密之一。木星表面由液态氢及氦组成，内部物质的组成了解很少。像木星这种气液态巨星，一般假设有一个岩质内核，具有与地球内核类似的高压高温。但地球内核是由熔融的铁和镍构成，木星内核的成分应该主要是金属氢，温度和压力都比地核高得多。木星内核的温度高达几万摄氏度，压力达几亿个标准大气压，外围和内核含有大量的金属氢（图3）。金属氢是氢气被充分压缩后表现出金属的某些特性，但在地球上很难得到这么高的压力，所以还没实际观测到金属氢。木星强大的磁场很可能就由金属氢中的电流产生。

近年来，类似木星的气态巨行星引人关注，与20多年来在太阳系外发现的系外行星有关。在已发现的上千颗系外行星中，绝大多数都是距离恒星较近的高温气态巨行星，与木星颇为类似。因此，对木星的研究将加深我们对系外行星的认识，通过木星的形成过程了解系外行星的形成过程。

比如说，氧是宇宙中仅次于氢和氦的丰度第三的元素，但木星上的重元素（氮、碳等）含量比太阳上高得多，唯独氧元素比较稀缺。那么，氧到哪儿去了？是否与氢原子结合成了水？木星上水的比例是多少？有人认为，木星的氧元素或水的含量，不仅能够解释木星大气的诸多特殊现象，且可能隐藏着木星以及原始太阳星云的秘密。探索这些未解之谜有助于了解行星（包括地球）的形成和演化过程。

木星的磁场和极光

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图4：木星的巨大磁场

作为太阳系中的老大，木星拥有非常强大的磁场。木星的磁层结构是人眼看不见的“巨无霸”势力范围。木星的表面磁场是地球的50-100倍，磁矩是地球的18,000倍（图4b）。强大磁场与太阳风的作用相，使木星周围形成强大的辐射带，木星辐射带的强度是地球的数千倍，见图4a。先驱者10号探测器1973年直接测量了木星磁场。木星磁层中强大的电流在极区形成美丽的极光，地球极光很难看到，只有太阳活动剧烈的时候才偶露峥嵘，但木星的极光却非常壮观，且“永驻”极区的。木星极光虽然绚丽斑驳，却不宜近处观赏，因为木星磁层有捕获粒子并加速粒子的作用，在木星周围形成强大的辐射带，危害航天器上的电子设备。木星强大磁场的来源、辐射带的特点，以及神秘的极光现象，都有待揭秘。

八大行星中，土星光环最令人着迷。实际上木星以及天王星、海王星都有光环，被称为“行星环”，是气态星球的共同特征。不过，木星的光环昏暗如薄雾，很不起眼，在地球上很难观测到。1979年，借助于旅行者号探测器，天文学家才首次发现了木星环（图4c）。木星薄环的成分是什么？为什么不能像土星环一样保持对称形状？这些未解之谜，令科学家们一直感到困惑。

庞大的家族——小太阳系

伽利略（Galileo，1564～1642年）对天文学做出了突出贡献，他改进望远镜并第一次指向天空。1609年，荷兰的李普希（Lipperhey）将两个凸透镜放在一起制成了望远镜，伽利略知道后立刻动手改良，造出了一具放大倍数达20倍的望远镜。伽利略当时身为数学家，原来想用望远镜来观测天象，以求证数学之美，没想到小小的镜头为他展开了一片全新的物理视野，他看到了月球表面的的阴影，表明月球表面凹凸不平；他看到了乳白色的银河实际上由许多星星组成，表明地球之外的宇宙非常博大；他发现金星的满盈现象，与托勒密的地心说不符合……使伽利略激动不已的这些新发现，根本不被当时权威的宗教统治者所接受，却被视为异端的哥白尼日心说提供了间接证据。

新发现驱使人们继续探索，伽利略在好奇心驱动下继续观察。1610年1 月7 日，他第一次将望远镜对准了木星，发现木星总是被3颗星伴随着。伽利略开始以为这是与木星不相干的另外3颗恒星：“我在今晚观察木星，看见木星旁边有三顆恒星，它们非常小，肉眼根本看不见……”几天后，伽利略在木星旁又发现另1颗光点，总共4个光点，像4颗兵乓球一样陪伴在木星身边。接连好些天的观测让伽利略认识到，那4颗光点不是恒星，除一直随木星运动外，它们还绕木星转动。所以，像月亮绕地球转一样，它们应该是木星的卫星！

这个结论间接说明地球不是宇宙的中心。除地球外，起码还有4颗卫星绕着另一个中心——木星旋转！

聪明的伽利略利用他的新发现，来笼络当时佛罗伦萨最大的贵族——美第奇家族，他将新发现的这4颗木星卫星命名为“美第奇星群”，因为正好美第奇家族有4个儿子。美第奇家族安排伽利略成为比萨大学的教授，且不用教书，只需要专心做研究，这使伽利略声名大噪、誉满欧洲。人们似乎忘记了这些新发现，实际上是对哥白尼日心说的支持。每个贵族，包括法国王室在内，都希望伽利略找到什么新的星星，好以他们的家族姓氏来命名。

后来，天文界虽然承认伽利略首先发现了木星这4个最大的卫星，却不接受他提议的贵族命名，而是将它们称为“伽利略卫星”。四个卫星分别命名为Io(艾奥)、Europa(欧罗巴)、Ganymede(加尼美德)和Callisto(卡利斯托)，都是以希腊神话中宙斯的四位情人的名字。此后，又发现了多颗木星的卫星。迄今为止，木星是太阳系中卫星最多的行星，已发现有67颗卫星。有趣的是，人们继续用宙斯情人（或倾慕者）的名字，或这些情人的女儿（或女儿的女儿）名字来命名它们。不过笔者认为，对具有如此多伴侣的行星之王，还是像中国人一样用数字排列比较科学，比如说，4颗伽利略卫星可以简单称为木卫一、木卫二、木卫三和木卫四。

木星的卫星中只有8个的轨道近圆形、形态比较规则，包括4颗最大的伽利略卫星，以及4颗体积更小、但更靠近木星的卫星（木卫十六、木卫十五、木卫十四、木卫五），这4颗卫星被认为是木星环中的主要尘埃源，见图5左边木星环的结构剖视图。

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图5：木星的8个规则卫星

四颗伽利略卫星的直径均超过3000公里，大小可与月球相较。最大的木卫三比水星还大。不过，木星的其余63个卫星就都是娇小玲珑的“矮个子”了，直径都低于250公里，有的小到不到1公里。伽利略卫星中的木卫一是个很特别的卫星，离木星最近，巨大潮汐力的作用导致其内部地质活动非常活跃，有好几个正在爆发的活火山；木卫二、三、四近年来也备受关注，因为这几颗卫星的冰层下面是海洋，可能有生命存在。

由于木星有如此多的卫星，使它看起来像一个小太阳系。木星及其卫星的形成和演化仍然是一个谜。事实上，根据早期航天探测器的测量结果，木星内核的温度很高，有很强的辐射，辐射总能量是从太阳得到的能量的数倍到数十倍。因此，有些学者认为，木星是一个未“发育成形”的恒星胚胎，只是由于质量太小的缘故，不足以维持聚变反应而“修炼”成恒星。不妨想象一下，假设木星在进化的过程中，俘获了足够多的质量（为现有质量的几十倍），成为一颗货真价实的恒星的话，我们地球人的天空上将拥有两个太阳！

木星磁场似乎起源于内部的“发电机”，但它的产生机制仍然是个谜。纵观地球的演化历史，地球磁场的南北极曾经数次翻转，约30万年左右才翻转一次，太阳的磁极则只需要11年左右就会发生翻转。那么，木星磁极是否也会翻转呢？多久翻转一次？只有对木星极区进行更细致的探索后，这些问题才可能获得答案。

与地球类似，木星的磁层也与太阳风活动有关。但地球磁场的形状和结构更多依赖于太阳风，表现比较被动。木星的磁场则更具主动性，除太阳风外，也取决于木星和它的几个伽利略卫星的磁场的互相影响。例如，木卫一上不间断的火山活动为木星注入大量的等离子流，见图6a。

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图6：木卫一的等离子流及大红斑的热流

由于木星磁层与地球磁层的形成机制不同，造成它们的极光现象也有所不同。地球极光是由太阳风中的高能粒子扰动地球磁场所产生的，而木星极光还可以产生于自身的强大磁场，以及来自木卫一喷出的大量带电粒子流。木星极区周围的带电粒子储备太丰富了，引发极光的源头很多，其基本过程就是带电粒子和木星大气的原子碰撞，使得原子失去电子（叫做电离过程，相当于“强迫离婚”），失去电子的原子就成为了带正电荷的离子，离子又吸引带负电的电子重新结合成为原子（叫做复合过程，相当于“自愿复婚”），这个复合过程就会发光，庆祝“复婚”（不过不一定是原来那个电子，但是作为基本粒子的所有电子都是完全一样的，所以没有关系）。这个过程在木星上持续不断地发生，因而造成木星极区“极光常驻”。此外，木星的大红斑可能是一个巨大的热源，因为科学家们发现，木星南半球大红斑附近的温度要比其它地区高很多，见图6b。