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木星

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木星 Jupiter 木星的天文学符号
Jupiter and its shrunken Great Red Spot.jpg
哈伯太空望远镜WFC3相机于2014年所拍摄到木星的真实色彩影像,可清楚看见木星南半球的大红斑
编号
发音 聆听i/ˈptər/[1]
形容词 木星的
轨道参数[5][a]
历元 J2000
远日点 5.458104 AU (816,520,800 km)
近日点 4.950429 AU (740,573,600 km)
半长轴 5.204267 AU (778,547,200 km)
离心率 0.048775
轨道周期
会合周期 398.88 日[3]
平均轨道速度 13.07 千米/秒[3]
平近点角 18.818°
轨道倾角
升交点黄经 100.492°
近日点参数 275.066°
已知卫星 79
物理特征
平均半径 69,911±6 km[6][b]
赤道半径
半径
  • 66,854±10 km[6][b]
  • 10.517 Earths
扁率 0.06487±0.00015
表面积
体积
  • 1.4313×1015 km3[3][b]
  • 1,321.3 Earths
质量
  • 1.8981×1027 kg[3]
  • 317.8 Earths
  • 1/1047 Sun[8]
平均密度 1.326 g/cm3[3][b]
表面重力 24.79 m/s2[3][b]
2.528 g
59.5 km/s[3][b]
恒星周期 9.925 h[9] (9 h 55 m 30 s)
赤道自转速度 12.6 km/s
45,300 km/h
转轴倾角 3.13°[3]
北极赤经 268.057°
17h 52m 14s[6]
北极赤纬 64.496°[6]
反照率 0.343 (球面反照率)
0.52 (几何反照率)[3]
表面温度 最低 平均 最高
1 bar level 165 K(−108.15°C)[3]
0.1 bar 112 K[3]
视星等 −1.6 to −2.94[3]
角直径 29.8″ to 50.1″[3]
大气特征[3]
表面气压 20–200 kPa[10] (cloud layer)
大气标高 27 km
成分

by volume:

89.8±2.0% (H2
10.2±2.0% (He)
≈ 0.3% 甲烷(CH4
≈ 0.026%(NH3
≈ 0.003% 氘化氢 (HD)
0.0006% 乙烷(C2H6
0.0004% 水(H2O)

木星太阳系太阳向外的第五颗行星,并且是最大的行星。古代的天文学家就已经知道这颗行星[11]罗马人以他们的称这颗行星为朱庇特[12]。古代中国则称木星为岁星,取其绕行天球一周为12年,与地支相同之故[13]。到西汉时期,《史记‧天官书》作者天文学家司马迁从实际观测发现岁星呈青色,与“五行”学说联系在一起,正式把它命名为木星[14]

木星是颗巨行星质量是太阳的千分之一,但却是太阳系其他行星质量总和的2.5倍。太阳系的行星中,木星和土星气体巨星天王星海王星冰巨星)。

从地球看木星,它的视星等可以达到 -2.94等,已经可以照出阴影[15],并使它成为继月球金星之后,是夜空平均第三亮的天体(火星在其轨道的特定点上时能短暂与木星的亮度相比。)。

木星的主要成分是,但只占十分之一分子数量的,却占了总质量的四分之一;它可能有岩石的核心和重元素[16],但是像其他的巨行星一样,木星没有可以明确界定的固体表面。由于快速地自转,木星的外观呈现扁球体(赤道附近有轻微但明显可见的凸起)。外面的大气层依纬度成不同的区与带,在彼此的交界处有湍流和风暴作用着。最显著的例子就是大红斑,已知是在17世纪第一次被望远镜见到,持续至今未曾停歇过的巨大风暴。环绕着木星的还有微弱的行星环和强大的磁层,包括4颗1610年发现的伽利略卫星,木星至少有67颗卫星。佳利美德是其中最大的一颗,其直径大于行星中的水星

迄今已有数艘无人太空船前往木星探勘,最值得注意的是早期飞掠任务的先锋号航海家计划,和后期的伽利略号。最近拜访木星的是锁定冥王星新视野号太空船,在2007年2月28日最接近木星,并借助木星的加速前往冥王星。目前朱诺号是木星轨道上唯一运作中的探测器,自2016年7月4日进入环绕木星的轨道后便持续进行观测作业至今[17][18]。未来仍将有不少探测木星系统的太空任务,如探测木星卫星欧罗巴木卫二飞越任务

形成和迁徙[编辑]

一组新的超级地球可能起初聚集在内太阳系[来源请求]。 地球和它邻近的行星可能是在木星碰撞与摧毁这些在太阳附近的超级地球之后,从碎片中形成的。当木星迁徙至内太阳系,在理论家所谓的大迁徙假说,突然的引力推与拉,导致这些超级地球的轨道开始重叠,引发彼此间一系列的碰撞[19]

天文学家已经发现500多个多行星系统,这些系统通常包括几颗质量数倍于地球(超级地球)的行星,进到比水星更靠近太阳的距离,并且类似木星的气体巨星也会很靠近它们的母恒星。

看来,木星在太阳系的外侧轨道上,是因为当它迁徙时, 土星拉着它往外移动[来源请求]。木星从内太阳系往外移动,可能给了内太阳系的行星,包括地球,可以形成的契机[20]

2017年,来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和德国明斯特大学的研究人员在分析来自小行星的陨铁中的同位素时发现,木星岩石内核可能在太阳系形成后的100万年后就已经处在形成阶段中,木星形成可能已有距今46亿至50亿年。[21][22]。。

结构[编辑]

木星主要由气体和液体物质构成,它是4颗巨行星中最大的,也是太阳系最大的行星。它的赤道直径142,984 km(88,846 mi),密度1.326 g/cm3,是巨行星中第二高的,但远低于其它4颗类地行星

成分[编辑]

木星大气层上层的成分以气体分子的体积百分比大约88-92%是氢,8-12%是氦。因为氦原子的质量是氢原子的4倍,当以质量描述组成时不同的原子量就会有不同的贡献。因此木星的大气层大约75%的质量是氢,24%的质量是氦,剩余的1%是其它的元素。内部包含密度较高的材料,大致是71%的氢,24%的氦,和5%其它的元素。大气中含有微量的甲烷、水蒸气基化合物。也有微量的乙烷硫化氢磷化氢,最外层的大气含有结晶的氨[23][24]。经由红外线紫外线的测量,也发现有微量的和其它的烃类[25]

大气中氢和氦的比例接近理论上的原始太阳星云组成。氖在大气层上层仅占百万分之廿,大约是太阳中丰度的十分之一[26]。氦也几乎耗尽,大约只有太阳组成的80%左右。这种减少是因为这些元素沉降到行星内部的结果[27]。较重的惰性气体在木星大气层中的丰度是太阳的2-3倍[来源请求]

依据光谱土星的组成被认为类似于木星,但其它的巨行星,天王星海王星有着相对较少的氢与氦[28]。由于缺乏直接深入大气层的探测器,除了外层的大气层外,缺乏内部更重元素丰度的精确数值。

质量和大小[编辑]

木星的大小比太阳小一个数量级(×0.10045),但仍比地球大一个数量级(×10.9733),大红斑大约与地球一样大(相同数量级)

木星的质量是太阳系其他行星质量总和的2.5倍,由于它的质量是是如此巨大,因此太阳系的质心落在太阳的太阳表面之外,距离太阳中心1.068太阳半径。虽然木星的直径是地球的11倍,非常巨大,但是它的密度很低,所以木星的体积是地球的1,321倍,但质量只是地球的318倍[3][29]。木星的半径是太阳半径的十分之一[30],质量是太阳质量的千分之一,所以两者的密度是相似的[31]。"木星质量"(MJ或MJup)通常被做为描述其它天体,特别是系外行星棕矮星,的质量单位。因此,例如系外行星HD 209458 b的质量是0.69MJup,而仙女座κb的质量是12.8MJup[32]

理论模型显示如果木星的质量比现在更大,而不是仅有目前的质量,它将会继续收缩[33]。质量上的些许改变,不会让木星的半径有明显的变化,大约要在500地球质量(1.6MJup)才会有明显的改变[33]。尽管随着质量的增加,内部会因为压力的增加而缩小体积。结果是,木星被认为是一颗几乎达到了行星结构和演化史所能决定的最大半径[34]。随着质量的增加,收缩的过程会继续下去,直到达到可察觉的恒星形成质量,大约是50MJup的高质量棕矮星[35]

然而,需要75倍的木星质量才能使氢稳定的融合成为一颗恒星。最小的红矮星,半径大约只是木星的30% [36][37]。尽管如此,木星仍然散发出更多的能量。它接受来自太阳的能量,而内部产生的能量也几乎和接受自太阳的总能量相等[38]。这些额外的热量是由开尔文-亥姆霍兹机制通过收缩产生的。这个过程造成木星每年缩小约2厘米[39]。当木星形成的时候,它比现在热,直径大约是现在的2倍[40]

内部结构[编辑]

木星被认为有个由元素混合的致密核心,被一层含有少量氦,主要是氢元素的液态金属氢包覆着[39]。除了这个基本的轮廓,不确定的成分还是相当的大。核心经常被描述为岩石,但是其详细的成分是未知的,而且在这种深度下的温度、压力、和材料的性质也都不清楚(见下文)。在1997年,有人建议用重力法测量是否存在着核心[39],显示核心大约有12至45地球质量,约占木星总质量的4%至14%[38][41]。 行星模型认为在行星形成的历史上,木星至少有一段时间有个够大的岩石或冰的核心,才可以从原始太阳星云收集到足够大量的氢和氦。假设它确实存在,它可能因为现存的热液态金属氢与地幔混合的对流而萎缩,并且熔融在行星内部的较上层。核心现在可能完全消失,但由于重力测量仍不够精确,还不能完全排除这种可能性[39][42]

模型的不确定性受限于测量参数的误差:用来描述行星引力动量的一个自转系数(J6)、木星的赤道半径、在1帕压力处的温度。预期在2011年8月发射的朱诺号探测器将能获得这些参数更好的数值,从而在核心的问题上取得进展[43]

核心区域被密集的金属氢包围着,向外延伸到大约行星半径78%之处[38],通过这一层的氦和氖,像雨水滴般向下沉降,消耗掉这些元素在上层大气的丰度[27][44]

在金属氢上层是内层透明氢的大气层。在这个深度,温度是在临界温度之上,对氢而言只有33K[45]。在此状态下,没有层次分明的液体和气体位相 -氢可能是临界的超流体状态。在这层之上的,从云层向下延伸至深度大约1,000千米的氢,顺理成章的应该是气体[38],而在更深的一层是流动的液体。在物理上,那里没有明确的边界 -气体很顺利的变得更热和更密集的下降[46][47]

木星内部的温度和压力,由于开尔文-亥姆霍兹机制问定的朝向核心增加。在压力为10的”表面”,温度大约是340 K(67 °C;152 °F)。在氢相变的区域 -温度达到临界点- 氢成为金属,相信温度是10,000 K(9,700 °C;17,500 °F),压力的200GPa。在核心边界的温度估计为36,000 K(35,700 °C;64,300 °F),同时内部的压力大约是3,000至4,500GPa[38]

木星的卫星,表面和内部示意图
这幅模型剖面图显示木星内部的构造,液态金属氢覆盖着内部深处的岩石核心

大气层[编辑]

木星有着太阳系内最大的行星大气层,跨越的高度超过5,000 km(3,107 mi) [48][49]。由于木星没有固体的表面,它的大气层基础通常被认为是大气压力等于1 MPa(10 bar),或十倍于地球表面压力之处[48]

云层[编辑]

这是航海家1号太空船于1979年2月25日距离木星920万千米(570万英里)飞掠过木星时拍摄的影像。大红班下方白色的椭圆正是直径大约与地球相同的风暴

木星永远被氨晶体和可能是氢硫化氨的乌云笼罩着。对流层顶的云,在不同纬度形成不同的区带,最著名的是热带区。这些区带分为亮色调的(zones)和深色调的(belts)。这些模式互不相容环流间的交互作用导致风暴和湍流风速达到100m/s(360Km/h)的纬向急流是很常见的[50]。每一年,各区都有着不同的宽度、颜色和强度,但对天文学家而言,依然可以稳定的给予识别和指定[29]

这个模拟的循环动画显示木星逆向旋转的云带运动。在此图中,行星的表面以圆柱投影投射。动画最大宽度:720 pixels,更大宽度的动画:1799 pixels

云层大约只有50 km(31 mi)深,并且至少包含两层覆盖的云:厚厚的下层和薄且清晰的区域。在氨云层下面也有薄薄一层的云,有证据显示木星的大气层中也有闪烁的闪电。这是由水分子的极性造成的,它使得创造闪电所需要的电荷能够分离[38]。这些放电的强度达到地球上的一千倍[51]。水云可以形成雷暴,驱使热量从内部不断上升[52]

木星云层的橙色和棕色是内部涌升的化合物暴露在紫外线下,引起颜色的改变造成的。确切的构成仍然不清楚,但被认为是含有磷、硫或可能是烃类[38][53]。这些丰富多彩的混合物,称为发色团,与下层较温暖的云层混合。 区是由上升的氨结晶对流胞形成的,在观测上通常是较低层云的掩蔽物[54]

木星的低转轴倾角意味着两极能接收到的太阳辐射远远的少于行星的赤道地区。行星内部的对流输送大量的能量到极区,使云层的温度能够平衡[29]

大红斑和其它涡旋[编辑]

木星大红斑的大小在缩减中(2014年5月15日)[55]

木星最著名的特征是大红斑,这是比地球大的一个持久性反气旋风暴,位置在赤道南方22°,至少在1831年以来,就已经知道它的存在[56],并且可能更提早至1665年[57][58]。来自哈伯太空望远镜的影像显示多达两个红斑毗邻著大红斑[59][60]。这个风暴大得可以使用地基的小口径12 cm或更大的望远镜看见[61]。一些数学模型表明这个风暴是稳定的,可能是这颗行星上一个永久性的特征[62]

来自航海家1号的木星缩时摄影(超过一个月),显示大气层区带的运动和大红斑的循环运行,全尺寸的影像在此处

鹅蛋形物体的自转逆时针方向,周期大约是六天[63]。大红斑的维度是24,000至40,000千米 X 12,000至14,000千米。它的直径大到可以容得下2至3颗地球[64]。这个风暴最大的高度比周围的云层高出约8 km(5 mi)[65]

风暴通常都发生在巨行星大气层湍流内,木星也有白色和棕色的鹅蛋形风暴,但较小的那些风暴通常都不会被命名。白色的鹅蛋形风暴倾向于包含大气层上层,相对较低温的云。棕色鹅蛋形风暴是较温暖和位于普通云层。这种风暴持续的时间可以只有几个小时,也可以长达数个世纪。

在航海家证实大红斑的特征是一场风暴之前,因为它相对于周围其余的气团有时快,有时慢的差异旋转,已经是强有力的证据,表明大红斑与行星表面或深处的地形特征没有关联性。

在2000年,在南半球有一个外观与大红斑类似,但较小的大气特征出现。这是由几个较小的白色鹅蛋形风暴合并成的一个特征 -三个在1938年首度被观测到的较小的鹅蛋形风暴。合并后的特征被命名为鹅蛋形BA,并且因为它的强度增加,颜色由白转红,被昵称为幼红斑[66][67][68]

行星环[编辑]

木星有个黯淡的行星环系统,约有6,500千米宽,但厚度不到10千米。由大量尘埃和黑色碎石组成,以大约7小时的周期围绕木星旋转。环由三个主要的部分组成:内侧像花托,是由颗粒组成的晕环,中间是相对明亮的主环,还有外圈的薄纱环[69]。这些环,看起来是由尘埃组成,而不像土星环是由冰组成[38]。主环可能是从卫星阿德剌斯忒亚梅蒂斯喷发的物质组成。正常应该落回卫星的物质由于受到木星强大引力的影响,被木星吸引住。这些材料转变轨道的方向朝向木星,新的材料又因为碰撞影响而继续被加入[70]。以相同的方式,特贝阿马尔塞可能组成薄纱环尘土飞扬的两个部分[70]。也有证据显示沿着阿马尔塞的轨道可能有一连串与这颗卫星碰撞构成的岩石碎片[71]

磁层[编辑]

木星上的极光。 三个亮点是由连接到木星卫星埃欧(在左边)、佳里美德(在底部)和欧罗巴(在最底部)的磁流量管创造的。此外,可以看见分常明亮,几乎是圆型的区域,称为主要的鹅蛋形,可以看见和弱极区极光。

木星的磁场强度是地球的14倍,范围从赤道的4.2高斯(0.42mT)到极区的10至14高斯(1.0-1.4mT),是太阳系最强的磁场(除了太阳黑子[54]。这个场被认为是由涡流产生的 -旋流运动的导电材料- 核心的液态金属氢。在埃欧卫星的火山释放出大量的二氧化硫,形成沿着卫星轨道的气体环。这些气体在磁层内被电离,生成离子。它们与源自木星大气层的氢离子,在木星的赤道平面形成等离子片。这些片状的等离子与行星一起转动,造成进入磁场平面的变形偶极磁场。在等离子片内的电流产生强大的无线电讯号,造成范围在0.6至30MHz的爆发[72]

在距离木星大约75木星半径之处,磁层与太阳风的交互作用生成弓形震波。环绕着木星磁层的是磁层顶,位于磁层鞘的内缘 -磁层顶和弓形震波之间的区域。太阳风与这些去的交互作用拉长了木星背风面的磁层,并且向外延伸至几乎到达土星轨道的位置,而面向太阳方向也有数百万千米厚。木星的四颗大卫星的轨道全都位于磁层内,受到保护而得以免受太阳风的侵袭[38],因此木星的卫星全都位于它的磁层之中。 伽利略号的大气探测器在木星环与高层大气之间新发现一个强辐射带,类似地球的范艾伦辐射带,但比范爱伦辐射带强10倍左右,其中有高能的离子。

木星的磁层要为从这颗行星两极地区激烈发送的电波辐射负责。木卫埃欧(见下文)剧烈的火山活动,喷发出的气体进入木星的磁层,产生一个托环状环绕着木星的微粒。当埃欧穿过这个托环时,相互作用生成的阿尔文波使游离的物质进入木星的极区。一个结果是,无线电波通过回旋加速器迈射机制,和能量沿着圆锥形的表面传输出去。当地球与这个锥面交会时,木星发射的无线电波会超过太阳输出的无线电波[73]

轨道和自转[编辑]

木星(红色)每11.8个地球年环绕太阳(在中心)运转一圈。地球的轨道是蓝色的

木星是行星中唯一与太阳的质心位于太阳本体之外的,但也只在太阳半径之外7%[74]。木星至太阳的平均距离是7亿7800万千米(大约是地球至太阳距离的5.2倍,或5.2天文单位),公转太阳一周要11.8地球年。这是土星公转周期的五分之二,也就是说太阳系最大的两颗行星之间形成5:2的共振轨道周期[75]。木星的椭圆轨道相对于地球轨道倾斜1.31°,因为离心率0.048,因此近日点远日点的距离相差7,500万千米。木星的轨道倾角相较于地球和火星非常小,只有3.13°,因此没有明显的季节变化[76]

木星的自转是太阳系所有行星中最快的,对其完成一次旋转的时间少于10小时;这造成的赤道隆起,在地球以业余的小望远镜就可以很容易看出来。这颗行星是颗扁球体,意思是他的赤道直径比两极之间的直径长。木星的赤道直径比通过两极的直径长9,275 km(5,763 mi)[47]

因为木星不是固体,他的上层大气有着较差自转。木星极区大气层的自转周期比赤道的长约5分钟,有三个系统做为参考框架,特别是在描绘大气运动的特征。系统I适用于纬度10°N至10°S的范围,是最短的9h50m30.0s。系统II适用于从南至北所有的纬度,它的周期是9h55m40.6s。系统III最早是电波天文学定义的,对应于行星磁层的自转,它的周期是木星的官方周期[77]

观测[编辑]

木星合月
外行星的逆行运动是其对地球的相对位置造成的

木星通常是天空中第四亮的天体(在太阳、月球金星之后)[54],但有时候火星会比木星亮。依据木星相对于地球的位置,可以表现出不同的视星等,在时最亮是-2.9等,在与太阳同向的时,会降至-1.6等。木星的角直径也会随之改变,从50.1到29,8弧秒[3]。木星在轨道上经过近日点附近时的冲最适宜观赏,木星上次是在2011年3月经过近日点,所以在2010年和2011年9月的冲是最有利的[78]

地球每398.9日会在轨道上超越木星一次,这个时间称为会合周期。每当会合之前,木星都会相对于背景的恒星出现明显的逆行运动。这是木星似乎在夜空中向后(向西)移动一段,执行循环的运动。

木星接近12年的轨道周期对应于黄道星宫[页码请求][29]。也就是,木星每一年约向东移动大约30°,约是一个星宫的宽度[需要解释]

因为木星的轨在地球轨道之外,所以从木星看地球的相位角永远不会超过11.5°。也就是,从地球用望远镜观看木星时,它几乎都是呈现满月的姿态。只有当太空船飞近木星时,才会看见新月形的木星[79]。通常,一架小望远镜就能看见木星的四颗伽利略卫星和跨越木星大气层明显的云带[80]。当大红斑面向地球时,小口径的望远镜也有机会看得见。

研究和探测[编辑]

望远镜发明之前的研究[编辑]

天文学大成中木星(☉)相对于地球(⊕)在经度方向运动的模型

对木星的观测可以回溯至公元前7或8世纪的巴比伦天文学家[81]。中国的历史天文学家席泽宗宣称中国天文学家甘德在公元前362年就以裸眼发现木星的卫星之一。如果此一说法正确的话,会比伽利略的发现早了近2000年[82][83]。在公元2世纪的天文学大成,古希腊天文学家,地心说行星模型的先驱,托勒密本轮均轮来解释行星相对于地球的运动,他给木星轨道环绕地球的周期是4332.38天,或11.86年[84]。在公元499年,一位古典时代的印度数学家天文学家阿耶波多,也用地心说的模型估计出木星的周期是4332.2722天,或11.86年[85]

地基望远镜的研究[编辑]

在1610年,伽利略发现 木星的4颗大卫星埃欧欧罗巴佳利美德、和卡利斯多(现在称为伽利略卫星- 首度用望远镜发现不属于地球的卫星。伽利略也是首度发现显然不以地球为中心运动的天体。这是对哥白尼日心说最主要的支撑,伽利略直言不讳的支持哥白尼学说,使他被置于文字狱的威胁下[86]

当1660年代。卡西尼使用一架新的望远镜发现木星的斑点和彩色的区带,并且观察到这颗行星出现扁平形;就是在两极扁平。他也估计出这颗行星的自转周期[87]。在1690年,卡西尼发现大气经历较差自转[38]

来自旅行者1号详细的假色木星大气层影像,显示巨大的红斑和经过的白色鹅蛋形气旋

大红斑是在木星南半球的一个显著鹅蛋形特征,可能早在1664年就被罗伯特·虎克乔凡尼·多美尼科·卡西尼在1665年观测过;虽然这仍有争议。已知最早的绘图来自药剂师海因利希·史瓦贝,他在1831年显示大红斑详细的资讯[88]

据传说,大红斑在1878年变得很显眼前,在1665年至1708年曾经有多次从视线中消失的场合。它在1883年和20世纪初,再度被记录到衰退[89]

Giovanni Borelli和卡西尼两人都小心地做出木星卫星的运动表,可以预测这些卫星经过木星前方或背后的时间。在1670年代,被观测到当木星与地球在相对于太阳的两侧时,这些事件的发 会比预测的慢达17分钟。奥勒·罗默推论视线看到的不是即时发生的事情(卡西尼在此之前曾经拒绝这样的结论)[24],而这个时间上的差异可以用来估计光速 [90]

在1892年,爱德华·爱默生·巴纳德在加利福尼亚州使用利克天文台 36-英寸(910-毫米)的折射望远镜观察到木星的第5颗卫星。发现了这颗相对较小的卫星,证明了他敏锐的视力,使他很快的成名。这颗卫星后来被命名为阿马尔塞[91]。这是最后一颗以视觉发现的行星卫星[92]。在1979年,航海家1号飞过木星之前,发现了额外的8颗卫星时[来源请求]

欧洲南天天文台甚大望远镜的木星红外线图像

在1932年,鲁珀特·沃尔特确定木星的光谱吸收带有甲烷和氨[93]

在1938年,观察到3个长寿的白色鹅蛋形反气旋特征。几十年来,它们是独立存在木星大气层的特征,有时会互相靠近,但永远不会合并。最后,两个在1998年合并,并在2000年吸收了第三个,被称为长圆形BA[94]

电波望远镜的研究[编辑]

在1955年,巴纳德柏克和肯尼斯·佛兰克林侦测到来自木星的22.2MHz的无线电信号爆发[38]。这些爆发与木星的自转周期匹配,也能够用这些资讯来改进自转速率。发现来自木星的无线电爆发有两种形式:长达数秒的长爆发(L爆发),和持续时间短于百分之一秒的短爆发(S爆发)[95]

科学家发现来自木星的无线电讯号有三种传输的形式:

  • 随着木星旋转的十米无线电爆发(波长10米的无线电波),并且受到埃欧与木星磁场交互作用的影响[96]
  • 厘米无线电辐射(波长为厘米的无线电波)于1959年首度由弗兰克·德雷克和Hein Hvatum观测到[38]。这个信号起源于木星赤道附近的圆环带状,是由木星磁场中被加速电子引起的回旋辐射[97]
  • 辐射热是由大气中的热产生的[38]

太空探索与探测[编辑]

自1973年以来,有数艘自动化的太空船拜访过木星,最引人注目的是先锋10号太空船。它是第一艘足够接近木星,并发送回有关这颗太阳系最大行星的属性和现象的太空船[98][99]。飞往太阳系内其他行星的太空船完全依赖能量的价值,太空船速度的净变化或ΔV。从地球的低地球轨道进入到木星的霍曼转移轨道只需要6.3Km/s的ΔV[100],这媲美于要进入低地球轨道的9.7Km/s的ΔV[101]。幸运的是,重力助推可以用来减少抵达木星所需要的能量,然而,这也很明显的需要较长的飞行时间[102]

飞越任务[编辑]

飞越任务
太空船 最接近
approach
距离
先锋10号 1973年12月3日 130,000km
先锋11号 1974年12月4日 34,000km
旅行者1号 1979年3月5日 349,000km
旅行者2号 1979年7月9日 570,000km
尤里西斯号 1992年2月8日[103] 408,894km
2004年2月4日[103] 120,000,000km
卡西尼号 2000年12月30日 10,000,000km
新视野号 2007年2月28日 2,304,535km

从1973年开始,数艘太空船在执行探测其他行星的任务时,有计划的从可以观测木星的范围内飞越。先锋任务最先观测到木星大气层和几颗卫星的特写影像。它们发现这颗行星的辐射场远远超出预期的,但这两艘太空船在这种环境下都依然存活。这些太空船的运动轨迹被用来更精确地估计木星系统质量的估计值。行星的无线电掩星结果得到更好的木星质和和两极扁平的数值[29][104]

六年后,航海家任务大量的提高对伽利略卫星的认识和发现木星环。它们还证实大红斑是反气旋,比较影像显示大红斑已经改变了形状和颜色,从先锋任务的橙色转变成暗褐色。发现电离的原子沿着埃欧的轨道构成环形,和发现这颗卫星表面的火山,其中有一些还在喷发的过程中。当太空船从木星的背后飞过时,还观察到夜晚大气中的闪电[105][29]

下一个与木星接触的是尤利西斯太阳探测器,以执行绕行太阳的极轨道任务。在接近木星的阶段中,进行对木星磁层的研究。由于尤利西斯没有照相机,所以没有影像,第二次是在六年后以更远的距离飞越[103]

卡西尼号在2001年1月1日看见的木星

在2000年,卡西尼探测器在前往土星途中飞越木星,并提供一些有史以来最高分辨率的木星影像。在2000年12月9日,太空船拍摄到卫星希玛利亚的影像,但是解析力太低,无法显示表面的细节[106]

新视野号探测器在途中,于2007年2月28日最接近木星,借由飞越木星时的重力助推前往冥王星 [107]。这艘探测器的照相机测量从埃欧的火山喷发出的等离子,并且以细的研究全部4颗的伽利略卫星,以及远距离的观测外围的希玛利亚伊拉拉[108]。从2006年9月4日就开始拍摄木星系统的影像[109][110]

伽利略任务[编辑]

卡西尼号拍摄的木星

伽利略号是第一艘在轨道上环绕木星的太空船。它于1995年12月7日进入轨道[34],环绕这颗行星7年之久,并飞越过所有的伽利略卫星和阿马尔塞。这艘太空船在接近木星的途中,也为1994年舒梅克-李维九号彗星撞木星的事件提供了一个绝佳的制高点,见证了此一撞及式检的影响。虽然伽利略号广泛的收集了大量木星系统的资讯,但因为高增益无线电发射天线的布署失败,使原设计的能力大为减损[111]

一个340千克的钛金属制的大气探针,于1995年12月7日从伽利略号释放进入木星大气层[34]。它以大约2,575千米(1,600英里)的时速,在大气层中下降了约150 km(93 mi)[34],在它被压力和高温(23倍地球大气压,153℃)摧毁之前,搜集了57.6分钟的资料[112],而这个探针可能被熔解和蒸发了。伽利略轨道器本身也遭遇了同样的命运,经过刻意操作在2003年9月21日以超过50Km/s的速度撞进木星的大气层,避免它撞上欧罗巴而可能造成的污染——这颗卫星已被假设可能是生命的避风港[111]

来自此一任务的资料揭露氢在木星大气层占90% [34]。在探针汽化前,温度资料纪录超过了300℃(>570℉),风速测量超过644km/h(>400mph)[34]

朱诺任务[编辑]

美国国家航空航天局的太空船朱诺号在2016年7月4日抵达木星,预计未来的20个月将在轨道上绕行木星37圈[17]。这次任务将以绕极轨道仔细的研究这颗行星[113]。在2016年8月27日,朱诺号完成其第一次的低空飞越木星,并且送回木星北极的第一张图像[114]

未来的探测[编辑]

下一个计划是欧洲空间局木星冰月探测器(JUICE),预计在2022年发射[115]。接下来是NASA在2025年的欧罗巴帆船任务。

取消的任务[编辑]

由于木星的卫星欧罗巴、佳利美德、和卡利斯多的地表下可能有液体的海洋,因此对详细研究冰卫星非常感兴趣。但资金的困难拖延了进度,NASA的木星冰月轨道器(JIMO,Jupiter Icy Moons Orbiter)于2005年被取消[116]。随后提案由NASAESA共同执行的任务,EJSM/Laplace临时决定预计在2020年研制而成。EJSM/Laplace将有NASA主导的木星欧罗巴轨道器和ESA主导的木星佳利美德轨道器[117]。然而,在2011年4月,ESA因为预算的原因结束与NASA的任务伙伴关系。取而代之的是ESA计划以只有欧洲参与的L1宇宙愿景任务来在竞争和超越[118]

卫星[编辑]

木星与伽利略卫星

木星有79颗卫星。木星是人类迄今为止发现的天然卫星最多的行星,俨然一个小型的太阳系:木星系。1610年1月,意大利天文学家伽利略最早以望远镜发现木星最亮的四颗卫星,并被后人称为伽利略卫星。它们环绕在离木星40~190万千米的轨道带上,由内而外依次为木卫一木卫二木卫三木卫四,然而近年中国有天文史学家提出在公元前364年,甘德以肉眼发现木卫三,但直至现时还未被公认。在1892年巴纳德以望远镜肉眼观测发现木卫五后,木星的其他卫星皆透过照相观测或行星际探测器的相片发现。

在以后的几个世纪中(至1950年代),人们又接连发现了12颗较大的卫星,使木星卫星的总数达到了16颗。直至1979年美国旅行者一号及1995年伽利略号等飞临木星系的时候,又发现了许多更细小的、离木星更远的天然卫星,使人类所知的木星系卫星总数达到67个,成为太阳系拥有最多天然卫星的行星,这数字还很有可能继续增加。2017年,卡内基科学研究所在追踪第九行星时意外发现多12颗卫星,并在2018年7月正式确认,因此至今已确认的木星卫星总数达到79个。

伽利略卫星[编辑]

伽利略卫星,由左至右,与木星的距离由近至远排列:埃欧欧罗巴佳利美德卡利斯多


埃欧、欧罗巴和佳利美德,这些在太阳系中最大的卫星,轨道的形成拉普拉斯共振的模式;埃欧每绕木星运转4圈,欧罗巴也很精确的绕着木星转2圈,佳利美德则很精确的绕木星转一圈。因为每颗卫星都在轨道上相同的点受到相邻卫星额外的拖曳,这种共振造成的引力效应使它们的轨道被扭曲成椭圆的形状。另一方面,来自木星的潮汐力致力于将它们的轨道弄成圆形[119]

它们的轨道离心率造成当木星的引力拉扯它们接近时,这三颗卫星的形状规律的扭曲;而当他们远离时,又会回复到比较接近球体的形状。这种潮汐的扭曲使卫星的内部摩擦,最显而易见的是最内侧的埃欧(受到最强的潮汐力)异于平常的火山活动;和程度较轻的欧罗巴表面年轻的地质(暗示卫星的外观最近重新铺过)。

伽利略卫星,比较地球的月亮
名字 维基百科:英语国际音标 直径 质量 轨道半径 轨道周期
km % kg % km % days %
埃欧 ˈaɪ.oʊ 3643 105 8.9×1022 120 421,700 110 1.77 7
欧罗巴 jʊˈroʊpə 3122 90 4.8×1022 65 671,034 175 3.55 13
佳利美德 ˈɡænimiːd 5262 150 14.8×1022 200 1,070,412 280 7.15 26
卡利斯多 kəˈlɪstoʊ 4821 140 10.8×1022 150 1,882,709 490 16.69 61

卫星的分类[编辑]

木星的天然卫星欧罗巴

在航海家任务之前,基于它们整齐排列共通的轨道要素,木星的4颗卫星被分成4个群组。之后,大量新的小卫星使这个画面变得复杂起来。现在被认为有六个主要的群组,还有一些特立独行,与其它的卫星显然有所不同。

基本的子群是8颗在内侧的周期性卫星,它们有着在木星赤道平面附近,接近圆形的轨道,并且被认为是与木星同时形成的。其它的卫星,包括数目不详的不规则小卫星,有着椭圆与倾斜的轨道,被认为是被捕获的小行星或是被捕或小行星的碎片。属于同一群的不规则卫星共用相似的轨道要素,因而可能有着共同的起源,或许是一颗大卫星或是碎裂的一个天体[120][121]

规则卫星
内侧群 内侧的4颗小卫星,直径小于200千米,轨道半径小于200,000千米,轨道倾角小于0.5度。
伽利略卫星[122] 伽利略西门·马里乌斯同时期发现的4颗卫星,轨道在400,000千米至2,000,000千米,有一些是太阳系中最大的卫星。
不规则卫星
撒米斯图群 这是单独一颗卫星的群组,轨道介于伽利略卫星和希马利亚群半途的中间位置。
希马利亚群 一个紧密的族群,轨道距离在11,000,000千米至12,000,000千米。
卡普群 另一个单一卫星的群,在亚南克群的内缘,以顺行方向绕着木运转。A
亚南克群 逆行轨道的群,这群的边界相当模糊,平均距离木星21,276,000千米,平均轨道倾角为149度。
加尔尼群 相当明显的逆行群组,平均距离木星23,404,000千米,平均轨道倾角165度。
帕西法尔群 分散、特征含糊的逆行集团,涵盖所有最外层的卫星。

与太阳系的交互作用[编辑]

伴随着太阳,木星的引力影响与帮助塑造了太阳系。除了水星以外,太阳系行星的轨道平面都比较接近木星的轨道平面,而不是太阳的赤道平面(水星是唯一轨道平面比较接近太阳赤道的)。[来源请求]主小行星带柯克伍德空隙主要是由木星造成的,而且这颗行星可能也要对内太阳系历史上的后期重轰炸期负责[123]

此图显示与木星共轨道的特洛伊小行星,以及主小行星带

和它的卫星,木星的引力场控制了无数被安顿在拉格朗日点小行星。这些小行星在木星之前或跟随在木星之后一起绕着太阳公转。它们被称为特洛伊小行星,并且分为希腊营特洛伊营,以纪念伊利亚特。第一颗是马克斯·沃夫在1906年发现的(588) 阿基里斯,自此之后,迄今已经发现了数千颗[124],其中最大的是(624) 赫克特

大多数短周期彗星属于木星族 -定义为轨道半长轴比木星小的彗星。木星族彗星被认为起源于海王星轨道之外的古柏带。在接近木星时,轨道受到摄动进入较短的周期,然后在木星和太阳的引力交互作用下,规律地环绕着太阳[125]

撞击[编辑]

1994年7月22日8:06 12~19 UT在木星轨道的伽利略号所摄W核撞击照片(图片由左至右),只发生数秒间之闪光(亮点)
哈伯太空望远镜的影像显示2009的木星撞击留下大约8,000千米(5,000英里)长的痕迹[126]

由于其巨大的重力井和邻近内太阳系,木星被称为太阳系的真空吸尘器[127]。它是太阳系内最频繁接受到彗星撞击的行星[128]。它被认为是保护内太阳系的行星得以免受彗星的轰击[34]。最近的电脑模拟显示,木星重力的摄动虽然可以改变进入内太阳系彗星的轨道,将它们吸积或弹出,但并未减少进入内太阳系的彗星数量[129]。这仍然是天文学家争议的主题,有些人信它会将古柏代的彗星拉近地球,而另一些人认为木星保护地球免于受到被宣称来自欧特云的彗星撞击[130]。木星被小行星彗星撞击的经验是地球的200倍[34]

在1997年,对历史上的天文图绘的调查认为乔凡尼·多美尼科·卡西尼可能在1690年纪录了一次木星被撞击的疤痕。调查也确认其它8个候选的观测可能性太低或不是撞击事件[131]。在1979年3月,航海家1号在与木星相遇时拍到一颗火球[132]。在1994年7月16日至7月22日这段期间,超过20颗舒梅克-李维九号彗星(SL-9,正式的名称是D/1993 F2)的碎片撞击在木星的南半球,首次提供了直接观测太阳系内两个天体的碰撞。这种撞击对木星大气的成分提供了有用的资料[133][134]

在2009年7月19日,在系统2的经度216度之处发现被撞击的位置[135][136]。这个撞击在木星的大气层留下一个与长圆形BA的大小相似的黑点。红外线的观测显示在撞击点上有一个亮点,意味着撞击造成南极地区低层区域大气层的温度升高[137]

在2010年6月3日,澳洲的业余天文学家Anthony Wesley观测到一颗火球的撞击,造成小于以前观测到的事件。稍后,另一位菲律宾的业余天文学家也录影捕捉到这次事件[138]。2010年8月20日又有人见到一颗火球[139]

2012年9月19日,又检测到另一颗火球[132][140]

生命的可能[编辑]

在1953年,米勒-尤里实验证明了闪电和存在于原始地球大气中的化合物组合可以形成有机物(包括氨基酸),可以做为生命的基石。这模拟的大气成分为水、甲烷、氨和氢分子;所有的这些物质都在现今的木星大气层中被发现。木星的大气层有强大的垂直空气流动,运载这些化合物进入较低的地区。 但在木星的内部有更高的温度,会分解这些化学物,会妨碍类似地球生命的形成[141]

在木星,因为大气层中只有少量的,还有任何的固体表面都在深处压力极大的地区,因此被认为不可能存在任何类似地球的生命。在1976年,在航海家任务之前,曾经假设基于与水的生命可能在木星大气层的上层进化。这一假设是基于地球的海洋态环境,顶层有简单的光合作用浮游生物,低层的鱼可以喂食这些生物,而肉食的海洋生物可以猎食这些鱼[142][143]

在木星的一些卫星,地表之下可能有海洋存在,导致这些卫星更可能有生物存在的猜测。

神话[编辑]

木星,出自1550年古德·波那提编辑的木刻集Liber Astronomiae

木星,因为在夜晚以肉眼很容易就看见它,当太阳的位置很低时,偶尔也能在白天看见,因此自古以来就为人所知[144]。在巴比伦,这个天体代表他们的神马尔杜克(Marduk)。他们用木星轨道大约12年绕行黄道一周来定义它们生肖的星宫[29][145]

罗马人依据神话将它命名为朱庇特拉丁语Iuppiter, Iūpiter,也称为Jova),是罗马神话中主要的,它的名字来自原始印欧语系呼格合成*Dyēu-pəter(主格:*Dyēus-pətēr,意思是, "O 天神之父"或"O 日神之父")[146]。相对而言,木星对应于希腊神话宙斯(Ζεύς),也被称为Dias (Δίας),其中的行星名称仍然保留在现代的希腊语[147]

木星的天文符号♃是以风格化表示的闪电符号。原始希腊神Zeus的字根是zeno-,用于和木星相关的语词,例如:zenographic[148]

Jovian是从Jupiter转成的形容词,古老的形容词是jovial,是中世纪的占星家使用的词汇,原来的意思是"幸福"或"圣诞快乐",是占星学中木星对情绪的影响[149]

在中、日、韩语系中,基于中国的五行,这颗行星被称为木星[150][151][152]。中国的道教它拟人化成为福星,希腊人称之为Φαέθων,;法厄同(Phaethon)、"创新(blazing)"。在吠陀占星,木星被称为祭主仙人(Brihaspati),是启发灵性的宗教导师,通常称为上师(Guru),字面的意思是"重人"[153]

在英语,周四(Thursday)是源自"雷神日"(Thor's day),是出在日耳曼神话。相较于罗马神话就是朱庇特。罗马星期的Jovis也重新命名为Thursday[154]

突厥神话,木星称为"Erendiz/Erentüz",这意味着"eren(?)+ yultuz(star)",而关于"eren"有许多有意义的理论。同样的,它们也算出木星的轨道周期是11年又300天。他们认为一些社会和自然的事件连结到在天上运行的[155]

相关条目[编辑]

注解[编辑]

  1. ^ Orbital elements refer to the barycenter of the Jupiter system, and are the instantaneous osculating values at the precise J2000 epoch. Barycenter quantities are given because, in contrast to the planetary centre, they do not experience appreciable changes on a day-to-day basis due to the motion of the moons.
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Refers to the level of 1 bar atmospheric pressure

参考资料[编辑]

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进阶读物[编辑]

  • Bagenal, F.; Dowling, T. E.; McKinnon, W. B. (编). Jupiter: The planet, satellites, and magnetosphere. Cambridge: Cambridge University Press. 2004. ISBN 0-521-81808-7. 
  • Beebe, Reta. Jupiter: The Giant Planet Second. Washington, D.C.: Smithsonian Institution Press. 1997. ISBN 1-56098-731-6. 

外部链接[编辑]