華僑網 科技教育 如果我们来到木星,会惊讶地发现天空中有无数“月亮”,甚至可能蕴含生命 | 格致论道讲坛

如果我们来到木星,会惊讶地发现天空中有无数“月亮”,甚至可能蕴含生命 | 格致论道讲坛

导言:
为什么木星堪当行星之王?

让人不可思议的是

这张呈现木星极区涡旋的照片

跟人类历史上最有天赋的画家

梵高的著名画作《星夜》

有着异曲同工之妙。

大家下午好!我是尧中华,来自中国科学院地质与地球物理研究所。我研究的是行星科学,包括太阳系的行星、卫星及彗星等天体环境。今天非常高兴能和大家分享我的研究目标之一——木星。

木星,又被称为太阳系的行星之王,今天我就给大家介绍一下为什么它能够被称为王者。

为什么木星堪当行星之王?

作为王者,首先它不能叫张三、李四、阿猫或阿狗,它一定要有个霸气的名字。

木星的英文名字叫做朱庇特(Jupiter),是罗马神话的众神之王。它对应的是什么呢?可能是大家比较熟悉的希腊神话里的宙斯,也就相当于中国神话中的玉皇大帝。他管辖所有其他神仙,因此是众神之王。

木星除了名字霸气,它还有什么方面能够担得起行星之王的称号呢?接下来我将给大家一一介绍。

作为行星之王,它的体格要健壮、要强壮,要高大威猛,木星就是这样。木星半径比地球半径的11倍还要多,也就是说如果我们将地球一一摆开,11个地球还没有木星长。假如我们把木星想象成一个气球,往里塞地球,更是可以塞下超过1000个地球——木星的体积是地球的1000多倍。

▲ 木星距离太阳5.2天文单位(太阳-地球距离)

木星距离太阳要比地球更远。在行星或者天文学研究当中,通常我们使用的单位不是厘米、米、千米,而是“天文单位”,否则后面就会有很多零,不方便使用。这个天文单位的定义是什么?就是从地球到太阳的距离。木星到太阳的距离实际上比5个天文单位还多,所以木星距离太阳是地球的五倍多。

我们都知道,离太阳越远,接受到的太阳光照与能量就会越少,所以木星所处的环境温度非常低。我们知道太阳系有八大行星,从里往外数木星是第五颗。比它更远的有土星、天王星、海王星,其中最远的就是天王星和海王星。由于它们实在离太阳太远了,到太阳有几十个天文单位,所以表面都冻成冰了,我们就叫它冰巨星。从木星以外的四颗行星这就是太阳系的四大巨行星了。

除了体积特别大,木星的质量也是非常巨大的。相比地球来说,地球只有木星质量的0.003。0.003是一个非常小的数,具体小到什么程度?

在2022年北京冬奥会中,代表我们中国队的谷爱凌获得了两金一银的好成绩。她特别喜爱美食,包括照片中正在吃的馅饼。如果我们把谷爱凌的体重对照成木星,那我们地球的质量实际上就和她手里的馅饼差不多,所以这个差异非常大。

木星的质量不仅比地球大,实际上它比太阳系其他七个行星加起来还要大,而且是其他七大行星质量的两倍多。也就是我们把太阳系其他七个行星的质量加起来再乘以二,它还是没有木星重。

事实上,木星不只跟行星相比起来很大,它跟太阳也能“掰一掰手腕”。我们知道太阳是太阳系中当之无愧的王者,它质量最大、体积最大,占据了绝大部分的太阳系质量。在我们的想象中,太阳是一个巨大的中心,其他行星都绕着太阳转。

对于木星以外的行星而言,这个模型非常正确,但是对于木星来说,它跟太阳的绕转关系相当于上图。由于木星的质量特别大,所以它绕转的中心实际上位于太阳的外边,它们俩互相绕着转。当然,它们互相绕着转的点距离太阳的表面非常近。

到木星上盖房子,有可能吗?

木星是一个体型庞大、质量巨大的星球,如果我们能够移民木星,是不是就可以在上面盖很大的房子、每个人都能拥有一座很大的花园?住房问题是不是就被解决了?这个想象虽然美好,但现实是骨感的。

▲ 左:气态木星 右:“硬壳”地球

我们知道地球表面有硬壳,虽然有一些地方是海洋,但是海洋也是附着在硬壳表面上的。所以我们人类能够在地球的表面生活,能够开发利用、盖房子等等。但木星不像我们地球,它实际上是一颗气态星球。如果我们在木星的表面盖房子,它就会掉下去。虽然木星很大,但它盖不了房子,有点遗憾。

除了体积和质量最大,木星还有一个非常大的特点,就是它有非常多的“月球”——也就是绕着木星的卫星。

地球只有一个天然卫星,那就是月球。当我们夜间抬头,我们最多只能看到一个月亮,它会出现新月、满月或者几乎看不到的情况。

▲ 79个“月亮”

如果我们驾驶一艘飞船来到木星的表面,我们一抬头,会发现天空中到处都是“月亮”——因为它有79颗卫星。并且它的“月亮”丰富多彩,甚至可能蕴含生命。

虽然木星是气态星球,我们不能移民到木星。但它的卫星确实可能是一个很好的、适于生命繁殖的场所。

▲ 伽利略与他的望远镜

事实上,对木星卫星的观测也不是今天才开始的,最早要追溯到伽利略时代。我们都知道伽利略有非常多的伟大发现和发明,其中之一就是改进了望远镜。这个望远镜能够放大30倍,能够被用来观测天体。伽利略用它把月球表面的陨石坑看得非常清晰,并且通过天才般的绘画手艺描绘出了陨石坑。

伽利略不仅用望远镜看到了月球漂亮的陨石坑,观察到很多精细的陨石坑结构。在第二年也就是1610年,他还用他的望远镜发现了木星周围的四个小天体,这四个小天体分别就是木卫一二三四。他发现这四个小天体有时候都在一边,有时候分别在两边,有时候不一定能完全看到四个,有的可能跑到背面去了。所以他很敏锐地发现,木星周围的四个小天体是它的卫星。

伽利略的这一发现,在当时也直接证实了不是所有的天体都绕着地球转,比如木星的这四个小天体就是绕着木星转。所以这也对人们推翻地心说、确立日心说起到了很大的支持作用。

▲ 伽利略卫星群(Galilean Moons)

为了纪念伽利略,我们将木星的四个小卫星称为伽利略卫星群,它们也一直是我们人类特别关注的对象。我就选择其中的两颗:木卫一和是木卫二来具体介绍。

艾奥与欧罗巴:冰火两重天

▲ 木卫一(Io) 左:Galileo image,1997 右:New Horizons,2007

木卫一的英文名字叫艾奥(Io),它长什么样呢?左边这张图是1997年伽利略号探测飞船所拍摄到的木卫一的整体全貌。伽利略号探测飞船就是为了纪念伽利略对木星系统的伟大贡献而命名的一艘人类探测器,它拍到了这张图片。我想用两个词总结一下它给人们留下的整体印象:一个叫千疮百孔,一个叫锈迹斑斑。

为什么这颗卫星长得这么奇怪?右边这张图片能够给出答案,它是“新视野”号在2007年所拍摄的。大家看最上面有一个蓝色的小凸起,这个小凸起是木卫一上正在喷发的火山。

木卫一上的火山喷发物最高能达到300多公里,类似的火山还有400多颗。这些活火山持续喷发,所以我们能想象,火山喷发物质又会沉淀回来,沉淀回来的就是硫磺,所以木卫一表面锈迹斑斑的痕迹是硫磺,千疮百孔的是一个一个的火山口。

木卫一事实上是整个太阳系最活跃的天体,地球火山跟木星火山一对比,那就是“小巫见大巫”了。

2022年1月,汤加海底火山喷发,它的火山灰喷到了差不多60公里的高空。60公里已经是一个世界纪录了,而木卫一的火山灰能喷发到300公里。

木卫一跟月亮差不多大,比地球小很多,所以它的引力也要小很多。木卫一绕着木星转,因此这些喷发物质不停地往木星的空间环境中扩散,最后弥散在整个木星空间环境中,并且通过碰撞、电离等等过程形成高能量的带电粒子,包裹着整个木星。

我们的航天员上太空后要住空间站或者穿宇航服,除了提供空气压力外,它们还有一个很重要的用途,就是抵挡太空恶劣的辐射环境。

如果你要去探测木星,一定会经过这个非常恶劣的高能空间环境。而木星高能空间环境的能量要比地球的高一百多倍,所以它的辐射环境要比地球恶劣很多。虽然现在航天员还没有过去,但是我们的探测器里有很多的精密仪器如芯片等,高能粒子的辐射是这些仪器失效的重要因素。所以理解木星的空间环境对于我们探测木星非常关键。

从20世纪70年代开始,人类就一直在对木星进行探测,现在依然有探测器在木星,因此克服这些空间环境的影响非常重要。我们国家计划在2030年左右对木星环境进行探测,也必须经历木星空间的高能辐射环境,所以我们必须研究这些高能空间环境,从而更好地为探测提供帮助。

我要介绍的第二个卫星是木卫二,它的名字叫做欧罗巴(Europa)。左边这张是它的全貌,跟木卫一很不一样,它看起来表面光滑很多,但又有很多的细条纹。右边这张是局部放大图,大家可以看得更加清晰。

这些一条一条红褐色、棕色的条纹是什么呢?北京的冬天很冷,很多湖面都会结冰。湖面结冰后有些小孩子会扔石头,或者拿着棍子将它敲破,还有人会踩在上面给它踩裂了。因为天气很冷,这些裂纹到了晚上就会重新冻起来,从而形成一条条沟壑状的结构。

木卫二上这些纵横交错的条纹就跟冰面破碎以后又凝结起来的原理很类似。因为木卫二的整个表面是一个冰层结构,所以木卫二是一颗冰卫星,跟前面的木卫一相比真的是“冰火两重天”。木卫二的表面有冰,它不停地产生裂缝,我们很自然地想到:它的底下是什么呀?

它的底下是液态的海洋,并且下面可能有持续的加热。持续加热就会导致水压持续升高,就会在比较脆弱的地方冲破表面,冲破表面以后就形成了裂缝。我们前面提到,木星距离太阳很远,接收的太阳能量非常少,实在是太冷了。所以它又会重新冻成冰,形成一条一条的沟壑。

我们不能近距离地拍摄木卫二,只能通过艺术想象:有一个裂缝,就有一个喷泉。但我们在地球上是能找到类似对照的。

上图呈现的是我们在冰岛拍摄的一个地下水喷泉。我们知道冰岛有很多火山,它地底下有很多的热量,就会使地表的水沸腾,增加水压,会时不时地喷涌而出。

喷涌而出的高度大概是几十米,看起来非常的宏伟壮观。如果这个喷泉在木卫二,甚至在太阳系其他的月球系统譬如土卫二,它的喷泉能够高达几百公里,要比我们在地球上看到的喷泉壮观太多了。

木星系统的探测计划

因为地下有水、有温度、有加热,还有一些有机质,所以木卫二是我们探测地球以外生命时最聚焦的一个星球,我们都希望去木卫二上一探究竟。

但是这个探测需要分步骤。第一步是在2024年,美国将发射一艘名为Europa Clipper的探测飞船,中文名叫欧罗巴快帆。它是绕着木卫二探测的,携带了很多高能粒子探测器、环境监测器,还有非常重要的雷达。雷达将对木卫二的表面进行测绘,去确定哪个地方的冰层薄,哪个地方有裂缝,哪个地方的冰层纯水含量高——因为纯水比较容易钻透,如果杂质多就不容易钻透。

在未来,也许大家都有机会参与到第二步中:我们将再发射一个潜入器,它可能带有一个核钻头,我们将通过欧罗巴快帆描绘出来的地图,选择一个最薄弱、最容易钻透的地方打下去,最后到海洋中一探究竟,看看木卫二的海洋里到底有没有生命的存在。

当前人类在木星系统只有一个探测器,也就是我们派驻在木星的大使朱诺(Juno)。在罗马神话里面,朱诺是朱庇特的妻子,所以也可以说他们夫妻俩现在团聚了。朱诺号飞船是2016年到达木星的,我自己也是朱诺号飞船的科学团队成员。

朱诺号携带很多的科学仪器,在2016年抵达木星以后,它对木星进行了很多重要的科学探索。但是今天我想给大家介绍的这个科学发现,是从另一个角度——也就是艺术的角度出发的。

▲ 朱诺-极区涡旋,2019 梵高-星夜,1889

左边这张图是朱诺号的一个发现。这张照片拍摄于2019年,呈现的是木星的极区涡旋,木星极区是一个涡旋套着另一个涡旋,中间还有一个涡旋。让人不可思议的是,它跟人类历史上最有天赋的画家——梵高的著名画作《星夜》有着异曲同工之妙。不过,《星夜》当然没有参考木星的涡旋结构,它在130多年前就画出来了。在我看来,实际上科学追求的极致是与艺术相通的。

作为朱诺号飞船的核心成员,我的研究主要不是用飞船上这台拍摄漩涡的仪器。而是当朱诺号飞船探测木星系统的时候,我会利用地球上空的大型空间望远镜,譬如我们熟知的哈勃空间望远镜或是XMM-牛顿X射线空间望远镜,去拍摄木星上发生的现象。

这个现象到底对应着什么物理过程?我也会用朱诺飞船上所携带的复杂的、丰富的、先进的高能探测器、磁场探测器、电磁波探测器进行观测,再把它解释出来,最后建立联系。通过结合不同观测现象,我们就知道木星上正在发生的事情。

这是我去年刚发现的一个研究结果。我们发现了X射线的一些行为规律,并且通过朱诺号飞船把它的成因解释出来。这个研究也被美国航天局选为当年的亮点研究,所以在木星研究领域,我们是可以做到非常前沿的。

2019年我回国以后,除了保持在国际上利用目前人类在木星系统唯一的探测器朱诺号飞船,以及哈勃空间望远镜、XMM-牛顿X射线望远镜等结合研究,我们还在开展另一项我们自主的探测。

前面提到,木星有一个非常活跃的卫星木卫一,它有太阳系最活跃的火山活动,这些火山活动会持续地向木星系统喷发物质,这些喷发物质最后会弥散在空间中形成高能量空间环境。2030年,我们就要去探测木星系统,因此理解木星的火山喷发物质如何形成这些高能环境是现在非常重要的一件事情。

▲ 魏勇,尧中华,万卫星,中国行星探测路线图, Nature Astronomy,2018

上图是我和中科院地质地球所的魏勇研究员、万卫星院士设计的一幅中国行星探测路线图。在这个路线图中,我们介绍了国家的研究规划:2020年探测火星,2025年探测小行星,最后到2030年,我们要去探测木星。我们要如何来配合国家的规划?

大家可以在图中看到,在地球上有一台望远镜,这台望远镜聚焦的目标就是木星和木卫一,它将观察火山物质如何在空间中演化。我们希望这个望远镜能帮助我们理解火山活动如何控制整个木星系统高能量的环境,最后帮助我们探测木星环境。

▲ 冷湖行星地质观测中心

这台望远镜位于青海省海西蒙古族藏族自治州茫崖市冷湖镇赛什腾山上一个海拔4300米高的平台上,去年已经建设完成了。这里也是我们的冷湖行星地质观测中心。目前我们正在建设一台更大的望远镜,我们要把木卫一火山活动如何控制整个木星系统高能量环境的过程揭示出来。

虽然我的报告只有短短的20分钟,但是我希望大家感受到,在地球之外的行星系统,宇宙是非常丰富多彩的。我也希望大家能够在未来的学习中,用自己的热情去探索宇宙,认识自我,并且通过自己的研究服务国家的需求。

谢谢大家!

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■ 背景简介:文章2022年6月27日发表于微信公众号 格致论道讲坛(如果我们来到木星,会惊讶地发现天空中有无数“月亮”,甚至可能蕴含生命 | 尧中华),风云之声获授权转载。

■ 责任编辑:祝同学

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