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木星
無論從體積還是質(zhì)量上講， 木星 (Jupiter) 在太陽系行星里都是當之無愧的 “老大哥”， 它的體積約為地球體積的 1,321 倍， 質(zhì)量約為地球質(zhì)量的 318 倍， 兩者都比已知的太陽系所有其他行星的總和還大得多。 與這一身份完全相稱地， 木星在羅馬神話中被稱為朱比特 (Jupiter)， 是眾神之王。 細心的讀者也許會問： 在羅馬神話出現(xiàn)的年代里， 難道人們就已經(jīng)知道木星的巨大了嗎？ 答案當然是否定的。 那么， 當時的木星為什么會被冠以 “眾神之王” 的威名呢？ 是純屬巧合嗎？ 答案是： 不完全是巧合， 但確實也有巧合的因素。 這巧合的因素在于木星的公轉(zhuǎn)軌道周期很接近 12 年 (確切地說是約為 11.86 年)， 因此每年木星在所謂黃道帶 (Zodiac) 上的角度移動約為圓周的 1/12。 另一方面， 包括古羅馬在內(nèi)的很多古文明都將黃道帶分為 12 個星座， 每個星座的范圍恰好約為圓周的 1/12。 因此木星的運動幾乎恰好是每年經(jīng)過一個星座， 在喜歡對一切都擬人化的古人眼里， 這運動便仿佛是巡視天空的 “君王” 的步履。 當然， 每年經(jīng)過一個星座的未必一定得是君王， 也完全可以是跑腿遞信的小角色。 木星為什么偏偏被想象成了 “君王” 呢， 是因為它很亮——無論以最大表觀亮度還是平均表觀亮度而論， 都僅次于月亮和金星， 是夜空中排名第三的最明亮天體。 不僅如此， 哪怕在最暗淡的時候， 木星的表觀亮度仍比夜空中最明亮的恒星——天狼星 (Sirius)——更亮， 因此木星無論經(jīng)過哪個星座， 都比那個星座里的任何星星都更亮。 木星的明亮當然不是巧合， 而是與它的巨大密不可分的。 這個并非巧合的因素與前面那個純屬巧合的因素合在一起， 便成就了木星 “眾神之王” 的威名。 由前面提到的體積和質(zhì)量不難推算出， 木星的平均密度是相當?shù)偷模?只有地球平均密度的 24% 左右， 與水星、 金星和火星相比也低得多， 是一個平均結(jié)構(gòu)比較松散的家伙。 另一方面， 木星的自轉(zhuǎn)在太陽系行星里卻是最快的， 不到 10 小時就能轉(zhuǎn)動一周， 其赤道上的旋轉(zhuǎn)線速度高達每秒 12.6 公里， 比地球表面的逃逸速度還高[1]。 一個平均結(jié)構(gòu)比較松散的龐然大物自轉(zhuǎn)得這么快， 一個可以預(yù)期的結(jié)果是它的形狀會顯著偏離球形。 據(jù)測定， 木星的赤道直徑比兩極直徑長了 9,000 多公里 (相應(yīng)的扁率約為 6.5%)， 能塞下大半個地球。 望遠鏡問世之后， 人們開始對木星進行細致觀測。 這種觀測首先展示的是木星的大氣層。 這當然是毫不意外的， 像木星這樣巨大的行星有巨大的引力， 從而當然會有大氣層。 但大氣層下面的 “地面” 是什么樣子的呢？ 卻有些撲朔迷離， 很多人費了很大的努力試圖探明， 卻全都失敗了。 在那些努力中， 木星大氣層里的一些顏色較暗的區(qū)域曾被當成是從云層空隙里透出來的木星 “地面”， 可惜關(guān)于這種 “地面” 的觀測卻從未得到過一致而可信的結(jié)果。 現(xiàn)在我們知道， 木星是一種跟水星、 金星、 地球及火星很不相同的行星， 雖然我們也談?wù)撃拘堑?“大氣層”， 但像木星這種行星的 “大氣” 其實并非只是一個薄薄的 “層”， 而是以一種不存在截然界限的連續(xù)方式與內(nèi)部物質(zhì)融為一體的。 套用一句網(wǎng)絡(luò)流行語來說的話， 在木星的整個外層區(qū)域里， “一切都是浮云”。 人們將這種行星稱為氣態(tài)巨行星 (gas giant)。 木星是氣態(tài)巨行星這一特點從它超低的平均密度上也不難看出端倪來， 因為木星的平均密度跟太陽的相近 ( 兩者分別約為 1.3 克/厘米3 和 1.4 克/厘米3 )， 而太陽在很大程度上是一個巨大的 “氫氣球”[2]。 進一步的研究表明， 在木星的元素組成中， 兩種最輕的元素——氫和氦——分別占了總質(zhì)量的 71% 和 24% 左右， 總比例約為 95%， 在外層大氣中， 這一總比例更是高達 99% 左右。 不過， 氣態(tài)巨行星這一名稱并不表示木星是一個純粹的氣態(tài)星球。 像任何其他巨大天體一樣， 在自身引力的壓縮下， 木星的密度和溫度都是外層低、 核心高： 外部是貨真價實的氣態(tài)， 內(nèi)部物質(zhì)的狀態(tài)則相當復(fù)雜。 基于模型所作的研究顯示， 在木星 “表面” 以下約 1,000 公里處， 巨大的壓強將使氫漸漸由氣態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)。 在深度約 10,000 公里處， 木星物質(zhì)的溫度達到了接近太陽表面溫度的 6,000 攝氏度左右， 壓強則高達約 100 萬個大氣壓。 在那樣的高溫、 高壓條件下， 構(gòu)成木星物質(zhì)主體的氫將變成所謂的液態(tài)金屬氫。 液態(tài)金屬氫是一種導電流體， 巨大的電流可在其中回旋。 一般認為， 木星那強度比地球大一個數(shù)量級、 位列太陽系行星之冠的巨大磁場便是源自那樣的電流。 而在木星的最核心區(qū)域， 壓強更是高達數(shù)千萬乃至上億個大氣壓， 溫度也高達 20,000 攝氏度左右， 那里的元素組成包含了占木星總質(zhì)量的比例雖不大， 但絕對質(zhì)量仍比整個地球的質(zhì)量還高一個數(shù)量級的重元素。 這種重元素的大致數(shù)量可以從對木星引力的細致探測中粗略地估計出來， 同時它的存在也是行星演化理論所預(yù)期的。 因為一般認為， 正是重元素組成的核心區(qū)域的巨大引力源源不斷地將附近的氣體吸積過來， 才最終喧賓奪主地形成了作為氣態(tài)巨行星的木星。 木星核心的高溫還有一個體現(xiàn)， 那就是木星向外輻射的能量比它從太陽吸收的能量更多， 而且多出的部分相當顯著。 那額外能量是從哪里來的呢？ 一個顯而易見的來源就是從核心的高溫區(qū)域逃逸出來的內(nèi)部熱量。 這種類型的熱量逃逸在各個行星中多多少少都存在著， 但用來解釋木星的額外能量卻似嫌不夠， 因為木星向外輻射的能量實在太多， 哪怕多出的部分也比來自太陽的總能量更多， 這使人們懷疑除內(nèi)部熱量的逃逸外， 還需尋找其他的能量來源。 這其中被認為較有希望的一個來源是木星的緩慢收縮。 星體的收縮會使星體物質(zhì)的引力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽?這種是人們早就知道的機制， 并且在 19 世紀時還一度曾被蘇格蘭物理學家沃特斯頓 (John Waterston)、 德國物理學家亥姆霍斯 (Hermann von Helmholtz)， 及英國物理學家湯姆遜 (William Thomson) 等人視為太陽的能量來源。 可惜太陽發(fā)射的能量實在太巨大了， 絕非引力勢能所能長期支撐， 因此這種機制很快就被淘汰了[3]。 但木星的情況不同， 它輻射出的額外能量以行星標準來衡量雖然可觀， 跟太陽卻全然不可同日而語， 而且也并無觀測證據(jù)顯示這種輻射像太陽輻射那樣持續(xù)了數(shù)十億年。 因此木星的緩慢收縮作為額外能量的來源或來源之一是不無可能的。 計算表明， 木星的直徑只要每年收縮幾厘米， 釋放出的引力勢能就足以提供全部的額外能量， 而這樣的收縮是與任何觀測都并不矛盾的， 因此算得上是一種有希望的假設(shè)——當然， 也只是假設(shè)而已。 木星是氣態(tài)巨行星這一特點對我們的行星故事有一個很大的便利， 那就是沒有了 “表面”， 從而也就不必介紹 “地貌” 了。 但另一方面， 氣態(tài)巨行星顧名思義， 使 “氣” (大氣) 的地位大為提升， 因此在這方面需多費些筆墨。 不過， 迄今人們所能探測的木星大氣還只是最表層的部分， 無論望遠鏡還是行星探測器都尚不能讓我們窺視木星大氣深處的奧秘。 在人類探測外太陽系的歷程中， 早期的四大行星探測器——“先驅(qū)者 10 號” (Pioneer 10)、 “先驅(qū)者 11 號” (Pioneer 11)、 “旅行者 1 號” (Voyager 1)、 “旅行者 2 號” (Voyager 2)——都曾先后掠過木星， 拍攝了大量相片。 它們也沒白干這差事， 而是都從木星的巨大引力場中獲得了所謂的 “引力助推” (gravity assist)， 達到了更高的速度， 并先后飛越了曾被視為太陽系邊界的冥王星軌道。 除這些 “過路” 的行星探測器外， 人類還在 1989 年發(fā)射過一個旨在與木星 “親密接觸” 的 “伽利略” (Galileo) 探測器， 它于 1995 年抵達木星附近， 并向木星投放了一個大氣層探測器。 那個大氣層探測器以每秒約 50 公里的巨大初速度進入木星大氣， 在將近 58 分鐘的生存期內(nèi)， 經(jīng)歷了摩擦產(chǎn)生的約 15,000 攝氏度的高溫及相當于地球表面重力加速度 230 倍的巨大減速， 最終在壓強約 23 個大氣壓、 深度約 156 公里的木星大氣中層中 “失聯(lián)”。 別以為氣態(tài)巨行星是個軟綿綿的東西， 它在某些方面簡直要比堅硬的大地更嚴酷， 那個大氣層探測器的最終命運有可能是在更深層的木星大氣中被氣化， 可謂是 “尸骨無存”。 而 “伽利略” 探測器本身在環(huán)繞木星飛行近 8 年， 拍攝了約 14,000 張相片之后， 也于 2003 年一頭栽進木星大氣層， 以同樣悲壯的方式結(jié)束了自己的使命。 在針對木星大氣——確切地說是高層大氣——的觀測中， 后者顯現(xiàn)出的最鮮明的特征之一就是大范圍的帶狀結(jié)構(gòu)。 那些結(jié)構(gòu)基本上與赤道平行， 顏色則大體上深淺交錯。 為便利起見， 人們把顏色較深的區(qū)域稱為 “帶” (belt)， 把顏色較淺的區(qū)域稱為 “區(qū)” (zone)。 進一步的研究表明， “帶” 是木星大氣的低壓區(qū)， 氣體在那里下沉， “區(qū)” 則木星大氣的高壓區(qū)， 氣體在那里上升。 木星大氣的這種大范圍帶狀結(jié)構(gòu)是比較穩(wěn)定的， 以至于天文學家們可以對它們作出比較固定的標注。 一般認為， 這樣的穩(wěn)定性并非偶然， 而是與木星自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)平面的夾角特別小不無關(guān)系。 木星自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)平面的夾角只有 3° 左右， 是已知的太陽系行星中最小的， 這使得木星上幾乎沒有季節(jié)之分， 從而也就沒有季節(jié)之分帶來的大范圍大氣運動， 這對維持大范圍帶狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定不無幫助。 除穩(wěn)定性外， 大范圍帶狀結(jié)構(gòu)的起源也是一個問題。 木星大氣為什么會形成這種 “帶” 和 “區(qū)” 交錯分布的大范圍結(jié)構(gòu)呢？ 一般認為， 兩個因素有可能起著主要作用： 一個是木星深處熱量造成的大氣對流， 另一個則是木星的快速自轉(zhuǎn)。 這種設(shè)想具備一定的實驗依據(jù)， 因為人們在實驗室里已能定性地再現(xiàn)這種旋轉(zhuǎn)流體中的對流形成帶狀結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。 不過就算大體上能夠解釋， 細節(jié)上的復(fù)雜性卻仍然不是當前理論所能覆蓋的。 事實上， 只要將觀測尺度稍稍縮小一點， 木星大氣立刻就會展現(xiàn)出近乎無窮無盡的額外復(fù)雜性， 比如 “帶” 和 “區(qū)” 的顏色、 寬窄等均非一成不變， 兩者之間充斥著被稱為 “噴流” (jet) 的風速達每小時數(shù)百公里的狂暴颶風， 等等。 木星云層的放大相片所顯示出的層次之繁復(fù)， 有時簡直能讓人聯(lián)想起諸如曼德爾布羅集 (Mandelbrot set) 那樣的分形圖案。 不過， 對這些額外復(fù)雜性作出定量分析雖極為困難， 但它們也跟木星深處熱量造成的大氣對流及木星的快速自轉(zhuǎn)密切相關(guān)， 則幾乎是不言而喻的。 這其中木星的快速自轉(zhuǎn)尤其值得一提。 我們知道， 行星自轉(zhuǎn)會在行星表面產(chǎn)生所謂的科里奧利效應(yīng) (Coriolis effect)， 它是大氣中的大型漩渦運動的重要起因。 對于像木星那樣快速自轉(zhuǎn)的行星來說， 這一效應(yīng)要比地球上強勁得多， 由此產(chǎn)生劇烈的乃至狂暴的大氣運動起碼在定性上是不足為奇的。 此外， 木星自轉(zhuǎn)還有一個重要特點， 那就是不同緯度上的自轉(zhuǎn)快慢不盡相同。 這種被稱為 “較差自轉(zhuǎn)” (differential rotation) 的現(xiàn)象并非木星獨有， 而是非固態(tài)天體 (比如外層同為氣態(tài)的太陽) 或天體系統(tǒng) (比如星系) 中的常見現(xiàn)象。 觀測表明， 木星高緯度區(qū)域的自轉(zhuǎn)周期比赤道附近區(qū)域慢了 5 分鐘左右。 別小看這區(qū)區(qū) 5 分鐘的差別， 對于木星那樣的龐然大物來說， 它所對應(yīng)的大氣相對運動速度高達每小時近 400 公里， 比地球上最厲害的颶風的風速還高得多。 正是這些因素的共同作用， 塑造了千變?nèi)f化的木星大氣。
與大范圍帶狀結(jié)構(gòu)可以相提并論的， 是木星大氣中的另一個引人注目的結(jié)構(gòu)： “大紅斑” (giant red spot)。 這是位于木星南半球的一個邊緣風速達每小時數(shù)百公里的巨型反氣旋 (anticyclone)[4]。 “大紅斑” 雖然應(yīng)算局部結(jié)構(gòu)， 但塊頭卻異乎尋常的大， 以面積而論足可容納好幾個地球。 此外， “大紅斑” 的存在時間也異乎尋常的久， 絕非地球上的任何氣旋可比。 翻 “歷史舊賬” 可以發(fā)現(xiàn)， 人類很可能自 17 世紀后期開始就對 “大紅斑” 有了陸陸續(xù)續(xù)的觀測記錄， 即便考慮到早期記錄的不盡可靠， 可靠的記錄也起碼有一個半世紀以上。 在這么長的時間里， “大紅斑” 的位置雖有所漂移， 塊頭雖有所變化， 卻始終是一個巨無霸。 這種令人驚訝的穩(wěn)定性是什么原因造成的呢？ 一般認為， 首先可能是因為在氣態(tài)巨行星上， “大紅斑” 不會像地球上的颶風那樣因為受到固態(tài)地面的阻尼而快速衰減。 其次， 大紅斑上方和下方的云層中分別有往西和往東的巨大氣流， 運動方向與大紅斑邊緣氣流的方向相一致， 使得大紅斑仿佛是夾在兩個運動平板之間的球， 可以自然而然地維持滾動。 除結(jié)構(gòu)外， 木星大氣的另一個有待理解的特點是顏色。 事實上， 我們之所以能識別木星大氣中這么多的結(jié)構(gòu)， 一個很便利的原因就是那些結(jié)構(gòu)可以通過顏色來識別， 比如 “帶” 的顏色較深， “區(qū)” 的顏色較淺， “大紅斑” 偏于紅色， 等等。 這些顏色各異的結(jié)構(gòu)究竟是由什么物質(zhì)構(gòu)成的， 才會顯現(xiàn)出那樣的顏色呢？ 這在目前還沒有完整答案。 但有一點是明顯的， 那不會是像地球上的云層那樣以水汽為主打， 因為木星離太陽比地球遠得多， 雖有內(nèi)部熱源的幫助， 云層高處——也就是外部觀測者所看到的云層——的溫度依然在零下 100 攝氏度 (-100°C) 以下， 那里若有水汽的話將會處于永久冰凍狀態(tài)， 不僅無法形成激烈變動的結(jié)構(gòu)， 而且還會沉陷下去。 更何況從顏色上講， 水汽跟木星云層中的那些結(jié)構(gòu)也對不上號。 如果不是水汽， 那會是什么呢？ 通過光譜學等手段所進行的研究顯示， 東西還真不少， 比如有氨 (ammonia, NH3)、 氫硫化氨 (ammonium hydrosulfide, NH4SH)、 甲烷 (methane, CH4)、 乙烷 (ethane, C2H6)、 膦 (phosphane, PH3) 等等的成分。 這些成分處于動蕩的對流之中， 再加上厚薄、 高低等等的各不相同， 在陽光照耀下會反射出各種不同的顏色。 當然， 這只是定性解釋， 很多細節(jié)——比如某種特定顏色為何集中出現(xiàn)在某類特定結(jié)構(gòu)中等等——則需要更細致的分析。 另一方面， 水汽在木星大氣中也并非徹底缺席， 而只是傾向于沉到溫度比較接近地球云層的地方而已。 水汽在木星大氣中不僅存在， 所扮演的角色也并非如 “路人甲”、 “路人乙” 那樣無足輕重， 比如木星云層中的閃電就被認為是像地球上的閃電那樣是由水汽云團產(chǎn)生的[5]。 由于木星大氣的運動遠比地球大氣更劇烈， 有些閃電也遠比地球上的閃電更厲害， 威力能達到后者 1,000 倍左右。 木星作為巨行星， 不僅自身的質(zhì)量和體積都拿得出手， 而且還有一個龐大的衛(wèi)星系統(tǒng)， 一掃內(nèi)太陽系四大行星總共只有三顆衛(wèi)星 (而且其中兩顆——即火星的兩顆衛(wèi)星——簡直就是兩塊石頭) 的 “寒酸” 局面。 截至 2013 年， 已發(fā)現(xiàn)的木星衛(wèi)星多達 67 顆， 是太陽系里最龐大的衛(wèi)星系統(tǒng)。 在這些衛(wèi)星中包括了除月球外最早被發(fā)現(xiàn)的四顆衛(wèi)星： 木衛(wèi)一、 木衛(wèi)二、 木衛(wèi)三和木衛(wèi)四， 它們都是由著名科學家伽利略 (Galileo Galilei) 發(fā)現(xiàn)的， 故稱為 “伽利略衛(wèi)星” (Galilean moons)。 這四顆衛(wèi)星都很巨大， 其中木衛(wèi)三是太陽系里已知最大的衛(wèi)星， 體積甚至比水星還大[6]！ 這些衛(wèi)星中的木衛(wèi)六——也稱為歐羅巴 (Europa)——也是一顆重要衛(wèi)星， 被認為有可能存在由液態(tài)水組成的地下海， 其中甚至有可能存在初等生命。 說到生命， 我們在《天堂是怎樣煉成的——地球》（請見http://www./articles/science/astronomy/planets/03.php）一文中介紹稀有地球假設(shè)時曾經(jīng)提到過， 稀有地球假設(shè)的支持者們把木星的存在列為了地球上出現(xiàn)高等生命的條件之一， 原因是木星有助于掃清太陽系空間里的隕石。 這一點所起的作用——如我們在那篇文章中提到過的——是有爭議的。 不過木星對隕石的清掃能力倒并不是吹牛， 而是在過去短短幾十年間就展現(xiàn)了不止一次， 其中最著名的是所謂的 “蘇梅克-列維 9 號彗星” (Comet Shoemaker–Levy 9) 撞擊木星事件。 “蘇梅克-列維 9 號彗星” 是 1993 年由美國天文學家蘇梅克夫婦 (Eugene Shoemaker 和 Carolyn Shoemaker) 及 “老搭檔” 加拿大天文學家列維 (David Levy) 共同發(fā)現(xiàn)的[7]。 被發(fā)現(xiàn)時這顆彗星位于木星附近， 并且已裂成了很多碎片， 其中大碎片的線度約為 1-2 公里[8]。 “蘇梅克-列維 9 號彗星” 被發(fā)現(xiàn)之后， 天文學家們照例計算了它的軌道， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)它正走在了一條 “死亡之路” 上——其各大碎片將于 1994 年 7 月， 在為期約一周的時間里， 先后與木星相撞。 可惜的是， 撞擊點位于木星相對于地球的背面， 無法從地球上直接觀看撞擊過程。 但木星的快速自轉(zhuǎn)使撞擊點在撞擊后不到一小時就能轉(zhuǎn)到木星正面， 向我們展示撞擊遺跡。 在巨大的木星引力作用下， “蘇梅克-列維 9 號彗星” 撞擊木星的威力是很驚人的， 與木星大氣摩擦產(chǎn)生的溫度高達約 24,000 攝氏度 (24,000°C)， 大碎片的撞擊能量相當于引爆數(shù)百萬個百萬噸級氫彈， 爆炸產(chǎn)生的 “火球” 可竄升至木星云頂以上約 3,000 公里處。 這樣的碰撞若發(fā)生在地球上， 即便會因地球的引力較弱而威力稍遜， 仍足以對整個生物圈造成毀滅性打擊。 木星作為氣態(tài)巨行星， 雖早已不是外星生命的熱門侯選地， 但仍有人設(shè)想在木星大氣中溫度適宜的區(qū)域里存在浮游生物。 這類設(shè)想大都忽略了木星直到今天仍會每隔幾千年這種從天文及生物演化角度講非常短的時間間隔， 就遭受一顆像 “蘇梅克-列維 9 號彗星” 那樣規(guī)模的隕星撞擊， 這對于任何生物的存在都是極具摧毀性的。 從某種意義上講， 木星對太陽系空間的清掃作用對任何有可能棲居在木星上的生物本身也是一種清掃。
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