如果我們來到木星,會驚訝地發現天空中有無數「月亮」,甚至可能蘊含生命 | 堯中華

讓人不可思議的是

這張呈現木星極區渦旋的照片

跟人類歷史上最有天賦的畫家

梵高的著名畫作《星夜》

有著異曲同工之妙。

堯中華· 中國科學院地質與地球物理研究所特聘研究員

格致校園第24期 | 2022年4月15日 北京

大家下午好!我是堯中華,來自中國科學院地質與地球物理研究所。我研究的是行星科學,包括太陽系的行星、衛星及彗星等天體環境。今天非常高興能和大家分享我的研究目標之一——木星。

木星,又被稱為太陽系的行星之王,今天我就給大家介紹一下為什麼它能夠被稱為王者。

為什麼木星堪當行星之王?

作為王者,首先它不能叫張三、李四、阿貓或阿狗,它一定要有個霸氣的名字。

木星的英文名字叫做朱庇特(Jupiter),是羅馬神話的眾神之王。

它對應的是什麼呢?可能是大家比較熟悉的希臘神話裡的宙斯,也就相當於中國神話中的玉皇大帝。他管轄所有其他神仙,因此是眾神之王。

木星除了名字霸氣,它還有什麼方面能夠擔得起行星之王的稱號呢?接下來我將給大家一一介紹。

作為行星之王,它的體格要健壯、要強壯,要高大威猛,木星就是這樣。木星半徑比地球半徑的11倍還要多,也就是說如果我們將地球一一擺開,11個地球還沒有木星長。假如我們把木星想象成一個氣球,往裡塞地球,更是可以塞下超過1000個地球——木星的體積是地球的1000多倍。

木星距離太陽5.2天文單位(太陽-地球距離)

▲ 木星距離太陽5.2天文單位(太陽-地球距離)

木星距離太陽要比地球更遠。在行星或者天文學研究當中,通常我們使用的單位不是釐米、米、千米,而是「天文單位」,否則後面就會有很多零,不方便使用。這個天文單位的定義是什麼?就是從地球到太陽的距離。木星到太陽的距離實際上比5個天文單位還多,所以木星距離太陽是地球的五倍多。

我們都知道,離太陽越遠,接受到的太陽光照與能量就會越少,所以木星所處的環境溫度非常低。我們知道太陽系有八大行星,從裡往外數木星是第五顆。比它更遠的有土星、天王星、海王星,其中最遠的就是天王星和海王星。由於它們實在離太陽太遠了,到太陽有幾十個天文單位,所以表面都凍成冰了,我們就叫它冰巨星。從木星以外的四顆行星這就是太陽系的四大巨行星了。

除了體積特別大,木星的質量也是非常巨大的。相比地球來說,地球只有木星質量的0.003。0.003是一個非常小的數,具體小到什麼程度?

在2022年北京冬奧會中,代表我們中國隊的谷愛凌獲得了兩金一銀的好成績。她特別喜愛美食,包括照片中正在吃的餡餅。如果我們把谷愛凌的體重對照成木星,那我們地球的質量實際上就和她手裡的餡餅差不多,所以這個差異非常大。

木星的質量不僅比地球大,實際上它比太陽系其他七個行星加起來還要大,而且是其他七大行星質量的兩倍多。也就是我們把太陽系其他七個行星的質量加起來再乘以二,它還是沒有木星重。

事實上,木星不只跟行星相比起來很大,它跟太陽也能「掰一掰手腕」。

我們知道太陽是太陽系中當之無愧的王者,它質量最大、體積最大,佔據了絕大部分的太陽系質量。在我們的想象中,太陽是一個巨大的中心,其他行星都繞著太陽轉。

對於木星以外的行星而言,這個模型非常正確,但是對於木星來說,它跟太陽的繞轉關係相當於上圖。由於木星的質量特別大,所以它繞轉的中心實際上位於太陽的外邊,它們倆互相繞著轉。當然,它們互相繞著轉的點距離太陽的表面非常近。

到木星上蓋房子,有可能嗎?

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木星是一個體型龐大、質量巨大的星球,如果我們能夠移民木星,是不是就可以在上面蓋很大的房子、每個人都能擁有一座很大的花園?住房問題是不是就被解決了?這個想象雖然美好,但現實是骨感的。

左:氣態木星

▲ 左:氣態木星

右:「硬殼」地球

我們知道地球表面有硬殼,雖然有一些地方是海洋,但是海洋也是附著在硬殼表面上的。所以我們人類能夠在地球的表面生活,能夠開發利用、蓋房子等等。但木星不像我們地球,它實際上是一顆氣態星球。如果我們在木星的表面蓋房子,它就會掉下去。雖然木星很大,但它蓋不了房子,有點遺憾。

除了體積和質量最大,木星還有一個非常大的特點,就是它有非常多的「月球」——也就是繞著木星的衛星。

地球只有一個天然衛星,那就是月球。當我們夜間抬頭,我們最多只能看到一個月亮,它會出現新月、滿月或者幾乎看不到的情況。

79個「月亮」

▲ 79個「月亮」

如果我們駕駛一艘飛船來到木星的表面,我們一抬頭,會發現天空中到處都是「月亮」——因為它有79顆衛星。並且它的「月亮」豐富多彩,甚至可能蘊含生命。

雖然木星是氣態星球,我們不能移民到木星。但它的衛星確實可能是一個很好的、適於生命繁殖的場所。

伽利略與他的望遠鏡

▲ 伽利略與他的望遠鏡

事實上,對木星衛星的觀測也不是今天才開始的,最早要追溯到伽利略時代。我們都知道伽利略有非常多的偉大發現和發明,其中之一就是改進了望遠鏡。這個望遠鏡能夠放大30倍,能夠被用來觀測天體。伽利略用它把月球表面的隕石坑看得非常清晰,並且通過天才般的繪畫手藝描繪出了隕石坑。

伽利略不僅用望遠鏡看到了月球漂亮的隕石坑,觀察到很多精細的隕石坑結構。在第二年也就是1610年,他還用他的望遠鏡發現了木星周圍的四個小天體,這四個小天體分別就是木衛一二三四。他發現這四個小天體有時候都在一邊,有時候分別在兩邊,有時候不一定能完全看到四個,有的可能跑到背面去了。所以他很敏銳地發現,木星周圍的四個小天體是它的衛星。

伽利略的這一發現,在當時也直接證實了不是所有的天體都繞著地球轉,比如木星的這四個小天體就是繞著木星轉。所以這也對人們推翻地心說、確立日心說起到了很大的支持作用。

伽利略衛星群(Galilean Moons)

▲ 伽利略衛星群(Galilean Moons)

為了紀念伽利略,我們將木星的四個小衛星稱為伽利略衛星群,它們也一直是我們人類特別關注的對象。我就選擇其中的兩顆:木衛一和是木衛二來具體介紹。

艾奧與歐羅巴:冰火兩重天

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木衛一(Io)

▲ 木衛一(Io)

左:Galileo image,1997

右:New Horizons,2007

木衛一的英文名字叫艾奧(Io),它長什麼樣呢?左邊這張圖是1997年伽利略號探測飛船所拍攝到的木衛一的整體全貌。伽利略號探測飛船就是為了紀念伽利略對木星系統的偉大貢獻而命名的一艘人類探測器,它拍到了這張圖片。我想用兩個詞總結一下它給人們留下的整體印象:一個叫千瘡百孔,一個叫鏽跡斑斑。

為什麼這顆衛星長得這麼奇怪?右邊這張圖片能夠給出答案,它是「新視野」號在2007年所拍攝的。大家看最上面有一個藍色的小凸起,這個小凸起是木衛一上正在噴發的火山。

木衛一上的火山噴發物最高能達到300多公里,類似的火山還有400多顆。這些活火山持續噴發,所以我們能想象,火山噴發物質又會沉澱回來,沉澱回來的就是硫磺,所以木衛一表面鏽跡斑斑的痕跡是硫磺,千瘡百孔的是一個一個的火山口。

木衛一事實上是整個太陽系最活躍的天體,

木衛一事實上是整個太陽系最活躍的天體,地球火山跟木星火山一對比,那就是「小巫見大巫」了

2022年1月,湯加海底火山噴發,它的火山灰噴到了差不多60公里的高空。60公里已經是一個世界紀錄了,而木衛一的火山灰能噴發到300公里。

木衛一跟月亮差不多大,比地球小很多,所以它的引力也要小很多。木衛一繞著木星轉,因此這些噴發物質不停地往木星的空間環境中擴散,最後彌散在整個木星空間環境中,並且通過碰撞、電離等等過程形成高能量的帶電粒子,包裹著整個木星。

我們的航天員上太空後要住空間站或者穿宇航服,除了提供空氣壓力外,它們還有一個很重要的用途,就是抵擋太空惡劣的輻射環境。

如果你要去探測木星,一定會經過這個非常惡劣的高能空間環境。而木星高能空間環境的能量要比地球的高一百多倍,所以它的輻射環境要比地球惡劣很多。雖然現在航天員還沒有過去,但是我們的探測器裡有很多的精密儀器如晶片等,高能粒子的輻射是這些儀器失效的重要因素。所以理解木星的空間環境對於我們探測木星非常關鍵。

從20世紀70年代開始,人類就一直在對木星進行探測,現在依然有探測器在木星,因此克服這些空間環境的影響非常重要。我們國家計劃在2030年左右對木星環境進行探測,也必須經歷木星空間的高能輻射環境,所以我們必須研究這些高能空間環境,從而更好地為探測提供幫助。

我要介紹的第二個衛星是木衛二,它的名字叫做歐羅巴(Europa)。左邊這張是它的全貌,跟木衛一很不一樣,它看起來表面光滑很多,但又有很多的細條紋。右邊這張是局部放大圖,大家可以看得更加清晰。

這些一條一條紅褐色、棕色的條紋是什麼呢?北京的冬天很冷,很多湖面都會結冰。湖面結冰後有些小孩子會扔石頭,或者拿著棍子將它敲破,還有人會踩在上面給它踩裂了。因為天氣很冷,這些裂紋到了晚上就會重新凍起來,從而形成一條條溝壑狀的結構。

木衛二上這些縱橫交錯的條紋就跟冰面破碎以後又凝結起來的原理很類似。因為木衛二的整個表面是一個冰層結構,所以木衛二是一顆冰衛星,跟前面的木衛一相比真的是「冰火兩重天」。木衛二的表面有冰,它不停地產生裂縫,我們很自然地想到:它的底下是什麼呀?

它的底下是液態的海洋,並且下面可能有持續的加熱。持續加熱就會導致水壓持續升高,就會在比較脆弱的地方衝破表面,衝破表面以後就形成了裂縫。我們前面提到,木星距離太陽很遠,接收的太陽能量非常少,實在是太冷了。所以它又會重新凍成冰,形成一條一條的溝壑。

我們不能近距離地拍攝木衛二,只能通過藝術想象:有一個裂縫,就有一個噴泉。但我們在地球上是能找到類似對照的。

上圖呈現的是我們在冰島拍攝的一個地下水噴泉。我們知道冰島有很多火山,它地底下有很多的熱量,就會使地表的水沸騰,增加水壓,會時不時地噴湧而出。

噴湧而出的高度大概是幾十米,看起來非常的宏偉壯觀。如果這個噴泉在木衛二,甚至在太陽系其他的月球系統譬如土衛二,它的噴泉能夠高達幾百公里,要比我們在地球上看到的噴泉壯觀太多了。

木星系統的探測計劃

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因為地下有水、有溫度、有加熱,還有一些有機質,所以木衛二是我們探測地球以外生命時最聚焦的一個星球,我們都希望去木衛二上一探究竟。

但是這個探測需要分步驟。第一步是在2024年,美國將發射一艘名為Europa Clipper的探測飛船,中文名叫歐羅巴快帆。它是繞著木衛二探測的,攜帶了很多高能粒子探測器、環境監測器,還有非常重要的雷達。雷達將對木衛二的表面進行測繪,去確定哪個地方的冰層薄,哪個地方有裂縫,哪個地方的冰層純水含量高——因為純水比較容易鑽透,如果雜質多就不容易鑽透

在未來,也許大家都有機會參與到第二步中:我們將再發射一個潛入器,它可能帶有一個核鑽頭,我們將通過歐羅巴快帆描繪出來的地圖,選擇一個最薄弱、最容易鑽透的地方打下去,最後到海洋中一探究竟,看看木衛二的海洋裡到底有沒有生命的存在。

當前人類在木星系統只有一個探測器,也就是我們派駐在木星的大使朱諾(Juno)。在羅馬神話裡面,朱諾是朱庇特的妻子,所以也可以說他們夫妻倆現在團聚了。朱諾號飛船是2016年到達木星的,我自己也是朱諾號飛船的科學團隊成員。

朱諾號攜帶很多的科學儀器,在2016年抵達木星以後,它對木星進行了很多重要的科學探索。但是今天我想給大家介紹的這個科學發現,是從另一個角度——也就是藝術的角度出發的。

朱諾-極區渦旋,2019

▲ 朱諾-極區渦旋,2019

梵高-星夜,1889

左邊這張圖是朱諾號的一個發現。這張照片拍攝於2019年,呈現的是木星的極區渦旋,木星極區是一個渦旋套著另一個渦旋,中間還有一個渦旋。讓人不可思議的是,它跟人類歷史上最有天賦的畫家——梵高的著名畫作《星夜》有著異曲同工之妙。不過,《星夜》當然沒有參考木星的渦旋結構,它在130多年前就畫出來了。在我看來,實際上科學追求的極致是與藝術相通的。

作為朱諾號飛船的核心成員,我的研究主要不是用飛船上這臺拍攝漩渦的儀器。而是當朱諾號飛船探測木星系統的時候,我會利用地球上空的大型空間望遠鏡,譬如我們熟知的哈勃空間望遠鏡或是XMM-牛頓X射線空間望遠鏡,去拍攝木星上發生的現象。

這個現象到底對應著什麼物理過程?我也會用朱諾飛船上所攜帶的複雜的、豐富的、先進的高能探測器、磁場探測器、電磁波探測器進行觀測,再把它解釋出來,最後建立聯繫。通過結合不同觀測現象,我們就知道木星上正在發生的事情。

這是我去年剛發現的一個研究結果。我們發現了X射線的一些行為規律,並且通過朱諾號飛船把它的成因解釋出來。這個研究也被美國航天局選為當年的亮點研究,所以在木星研究領域,我們是可以做到非常前沿的。

2019年我回國以後,除了保持在國際上利用目前人類在木星系統唯一的探測器朱諾號飛船,以及哈勃空間望遠鏡、XMM-牛頓X射線望遠鏡等結合研究,我們還在開展另一項我們自主的探測。

前面提到,木星有一個非常活躍的衛星木衛一,它有太陽系最活躍的火山活動,這些火山活動會持續地向木星系統噴發物質,這些噴發物質最後會彌散在空間中形成高能量空間環境。2030年,我們就要去探測木星系統,因此理解木星的火山噴發物質如何形成這些高能環境是現在非常重要的一件事情。

魏勇,堯中華,萬衛星,中國行星探測路線圖,

▲ 魏勇,堯中華,萬衛星,中國行星探測路線圖,Nature Astronomy,2018

上圖是我和中科院地質地球所的魏勇研究員、萬衛星院士設計的一幅中國行星探測路線圖。在這個路線圖中,我們介紹了國家的研究規劃:2020年探測火星,2025年探測小行星,最後到2030年,我們要去探測木星。我們要如何來配合國家的規劃?

大家可以在圖中看到,在地球上有一臺望遠鏡,這臺望遠鏡聚焦的目標就是木星和木衛一,它將觀察火山物質如何在空間中演化。我們希望這個望遠鏡能幫助我們理解火山活動如何控制整個木星系統高能量的環境,最後幫助我們探測木星環境。

冷湖行星地質觀測中心

▲ 冷湖行星地質觀測中心

這臺望遠鏡位於青海省海西蒙古族藏族自治州茫崖市冷湖鎮賽什騰山上一個海拔4300米高的平臺上,去年已經建設完成了。這裡也是我們的冷湖行星地質觀測中心。目前我們正在建設一臺更大的望遠鏡,我們要把木衛一火山活動如何控制整個木星系統高能量環境的過程揭示出來。

雖然我的報告只有短短的20分鐘,但是我希望大家感受到,在地球之外的行星系統,宇宙是非常豐富多彩的。我也希望大家能夠在未來的學習中,用自己的熱情去探索宇宙,認識自我,並且通過自己的研究服務國家的需求。

謝謝大家!

– END –

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