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科學家揭示土星木星內部驚人差異
2019-01-22 閱讀次數:

  利用行星探測器發出的無線電信號,研究人員得以穿透隱藏在木星和土星內部的旋渦云。在那里,巨大的壓力將物質轉化為地球上未知的形態。這項由意大利羅馬大學Luciano Iess領導的研究,將美國宇航局(NASA)的兩架探測器(探測土星的“卡西尼”號和探測木星的“朱諾”號)發出的信號用于探測這些氣態巨行星內部深處的引力變化。
  研究人員發現,這是一場高風險的比較游戲。去年發表在《自然》雜志的木星研究和上周發表在《科學》雜志的土星研究表明,“這兩顆行星比我們想象的要復雜得多”。瑞士蘇黎世大學行星科學家Ravit Helled說:“這些巨大的行星并非簡單的氫球和氦球。”
  20世紀80年代,Iess幫助開發了“卡西尼”號的無線電儀器,該儀器能夠發出異常清晰的信號,因為它在Ka波段工作,相對來說不受星際等離子體噪音的干擾。通過監測信號的波動,研究小組計劃在該探測器于1997年開始的土星之旅中尋找宇宙引力波,并測試廣義相對論。Iess的研究小組在2011年發射的“朱諾”號探測器上也安裝了類似的設備,但這次的目標是研究木星內部。
  “朱諾”號每隔53天就會近距離掠過木星表面,每次經過木星表面時,隱藏在木星內部的引力都會對探測器施加1分鐘的牽引,導致其無線電信號產生微小的多普勒頻移。Iess和他的團隊起初認為,由于土星光環的引力影響,測量這些頻移是不可行的。但是這個障礙在10年前消失了,這是因為“卡西尼”號團隊決定結束這項任務,并將探測器送上一系列名為“終場演奏”的軌道。這些軌道位于土星環之下,從而消除了光環的影響。因此,Iess和他的同事可以利用無線電波動繪制這兩顆行星的引力場形狀,進而推斷出這兩顆行星內部物質的密度和運動情況。
  其中一個目標是探測將氣態巨行星上的云“抽打”成不同水平條帶的強風根源。科學家認為,這些風要么是像地球上的風那樣的淺層風,要么是非常深的風,它們穿透數萬公里進入行星。在那里,極端的壓力會將電子從氫中剝離出來,使其變成類似金屬的導體。對木星來說,最終的結果是一個謎:時速500公里的風并不淺,但它們只到達這顆行星3000公里深處,約為其半徑的4%。而土星則帶來了一個不一樣的謎團:盡管它的體積較小,但它表面的風最高時速達到1800公里,深度則是前者的3倍,至少達到9000公里。“每個人都大吃一驚。”Iess說。
  科學家認為這兩項發現的原因在于行星的深層磁場。在大約10萬倍于地球大氣的壓力下——遠低于產生金屬氫的壓力,氫會部分電離,變成一個半導體。這使得磁場可以控制物質的運動,防止其穿過磁場線。以色列雷霍沃特市魏茨曼科學研究所行星科學家Yohai Kaspi曾與Iess合作,他說,“磁場凍結了流體”,從而使行星變得堅硬。木星的質量是土星的3倍,這就導致了大氣壓力的快速增加——大約是土星的3倍。“這基本上是相同的結果”,Kaspi說,但是剛性在較淺的深度就會出現。
  “朱諾”號和“卡西尼”號的數據只能提供有關更大深度的微弱線索。科學家曾經認為,這些氣態巨行星的形成與地球非常相似,它們在從原行星盤吸走氣體之前就已經形成了一個巖石內核。這樣一個宏大的過程可能會產生不同的層,包括一個富含重元素的離散核心。但是“朱諾”號的測量結果通過模型解釋后表明,木星的核心只有一個模糊的邊界,它的重元素在其半徑的一半以內逐漸減少。德國羅斯托克大學行星科學家Nadine Nettelmann表示,這意味著木星可能從一開始就是由蒸發的巖石和氣體形成的,而不是先形成巖石內核,再加入氣體。
  而有關土星的情況仍不明朗。“卡西尼”號的數據顯示,其核心質量可能是地球的15到18倍,重元素的濃度可能高于木星,這表明它可能有一個更清晰的邊界。但帕薩迪納市加州理工學院行星科學家、“朱諾”號共同研究者David Stevenson說,這種解釋是暫時的。Iess說,更重要的是,“卡西尼”號受到土星深處某種無法用風解釋的東西的牽引。“我們稱之為土星引力的黑暗面。”Stevenson補充說,無論是什么原因導致了這種引力,它都是在木星上未曾發現的。“這是一個重大的結果。我想我們還沒想明白。”
  加州大學圣克魯茲分校行星科學家Chris Mankovich說,由于“卡西尼”號項目以“終場演奏”而告終(該探測器最終在土星大氣中焚毀殆盡),“短期內不會有更好的測量方法”。但是,盡管這些光環使引力測量變得復雜,它們也提供了一個機會。由于某種未知的原因——也許是風,也許是其許多衛星的引力,土星在振動。這些振蕩的引力作用使其光環的形狀扭曲成星系螺旋臂的形狀。其結果是一個振動的可見記錄,就像地震儀上的痕跡,科學家可以通過破譯這些記錄探測該行星。Mankovich說,很明顯,其中一些振動到達了土星的內部深處,并且他已經用“環形地震學”估算土星內部的旋轉速度。(趙熙熙)
  相關論文信息:DOI:10.1126/science.aaw6993

 

 

文章來源:中國科學報
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