第五节行星之王木星

第五节　行星之王——木星

木星，是靠近太阳的第五颗行星，也是太阳系中最大的一颗，古称岁星。它是天空中第四亮的物体，仅次于太阳、月球和金星；但有些时候火星会比它更亮一些。早在古代，人类对木星就已知晓。古希腊人称木星为宙斯，意即“众神之王”，奥林匹斯山的统治者和希腊国的保护人，是土星的儿子。

木星是绕太阳公转的，其公转周期为4332.589天，约合11.86年。作为众神之王，木星的质量相应也比较大，其质量比太阳系其他所有的行星的合质量还大2倍，是地球的318倍。它是由90%的氢和10%的氦及微量的甲烷、水、氨水和“石头”组成。这与形成整个太阳系的原始的太阳系星云的组成十分相似。而在天王星与海王星的组成中，氢和氦的量就相对来说少一些了。

木星

关于木星的内部结构，人们得到的有关木星内部结构的资料及其他气态行星的来源都不是很直接，而且还出现了很长时间的停滞。根据伽利略观察的木星的大气数据，人类只探测到了云层下150千米处。据推测，木星可能有一个石质的内核，其质量相当于10～15个地球。

木星内部分为木星核和木星幔两层，木星核位于木星的中心，主要是由铁和硅构成，属于固体核，其温度可高达3万开。木星幔位于木星核外，以氢为主要元素组成，是个厚厚的层块，其厚度约为7万千米。木星幔就是木星大气，若再向外延伸1000千米，就到达了云顶。

内核实则是大部分的行星物质集结地，以液态氢的形式存在。液态金属氢由离子化的质子与电子组成（类似于太阳的内部，不过温度低多了）。在木星内部的温度压强下，氢气是液态的，而非气态，这使它成为了木星磁场的电子指挥者与根源。同样在这一层也可能含有一些氦和微量的冰。

最外层主要由普通的氢气与氦气分子组成，它们以一种特殊的方式存在，当处在内部时，是液体；而在较外部时，则气化了。通常情况下，我们所能看到的就是这深邃的一层的较高处。同时，水、二氧化碳、甲烷及其他一些简单气体分子在此处也存有一点儿。

木星内部结构图

关于木星的云层，可以分为三层，这三个明显的分层中，可能存在着氨冰、铵水硫化物和冰水混合物。然而，来自“伽利略”号的观测的初步结果表明云层中这些物质极其稀少。通过仪器的检测，已经观察到了最外层，同时，另一个可能观察到了第二外层。但这次观测的地表位置是基于地球望远镜的观察以及更多的来自“伽利略”号轨道飞船的，最近观察显示这次观测所选的区域很可能是那时候木星表面最温暖而云层最少的地区。这一发现显得极为不同寻常。

根据早前的预测，木星大气所包含的氧是太阳的两倍，而目前来自“伽利略”号的大气层数据，证明木星大气上所含的水比预计的少得多，比太阳的也要少。同时也发现大气外层的温度极高。由于木星离太阳平均距离为7.78亿千米，因此木星表面温度比地球表面温度要低很多。一般情况下，从木星接受的太阳辐射计算，其表面有效温度值为-168℃，而地球观测值为-139℃，这说明木星有内部热源。

木星大气层

木星大气层模拟图

木星表面有红、褐、白等五彩缤纷的条纹图案，从这些图案的形成，可以推测木星大气中的风向是和赤道的方向平行的。它会因为区域的不同而交互吹着西风及东风，同时木星表面会出现有高速飓风，这种飓风常被限制在狭小的纬度范围内，在接近纬度时，风吹的方向又与之相反。正是由于这种情况的发生，木星表面便形成了分带，带中轻微的化学成分与温度变化造成地表出现了多彩带，出现了红、褐、白等五彩缤纷的条纹图案。多彩的地表带，支配着行星的外貌。木星光亮的表面带被称作区，暗的表面带被叫做带。这些地表带很早就被人们所知。但带子边界地带的旋涡则是由“旅行者”号飞船首次发现的。根据“伽利略”号飞船发回的数据，结果表明飓风的风速比预料的要快得多，大于640千米/小时。同时，木星内部的热量使得飓风在极大程度上做急速运动，而不是像地球那样只从太阳处获取热量，因此木星的大气层也表现得相当紊乱。

(左图)“卡西尼”号探测器拍回的木星表面

(右图)激烈运动的木星大气层

为什么在飓风出现时，木星表面云层会呈现多彩？这有可能是由大气中化学成分的微妙差异及其作用造成的，可能其中混入了硫的混合物，造就了五彩缤纷的视觉效果，但是其详情人类仍无法知晓。

通过观测发现，色彩的变化与云层的高度有关：最低处为蓝色，跟着是棕色与白色，最高处为红色。通过高处云层的洞才能看到低处的云层。

木星的表面还会出现一种奇特的现象，那就是木星大红斑。大红斑的艳丽红色令人印象深刻。这是木星表面最大的一个特征。大红斑的结构是怎样的？为什么是红色的？如何能持续这么长的时间？要了解这一系列问题，仅凭地面观测实在是无能为力的。按照科学家雷蒙·哈依德的理论，大红斑是位于其下面的某种像山一类的永久特征所造成的大气扰动。但是根据“先驱者”的探测，发现了木星表面是液体，这就完全排除了木星外层具有固态结构表面的可能性，雷蒙·哈依德的理论也就自然被放弃了。

根据“旅行者1号”发回的照片，可以清晰地看见，大红斑宛如一个以逆时针方向旋转的巨大旋涡，是一团呈深褐色的、激烈上升的气流，其浩瀚宽阔足以容纳好几个地球。从照片上还可以分辨出一些环状结构。后来，经过科学家们的研究，发现在木星的表面覆盖着厚厚的云层，而大红斑就是耸立于高空、镶嵌在云层中的强大旋风，或是由一团激烈上升的气流所形成的。

(左图)木星表面是五彩缤纷的条纹图案，看上去非常漂亮。

(右图)木星上的大红斑，犹如一个巨大旋涡。

大红斑的橙红色一直使人困惑不解。有人认为是大红斑中上升气流形成的云中放电现象。为此，美国马里兰大学的一位名叫波南贝罗麦的博士做了一个有趣的实验。他在一只长颈瓶中放上木星大气中存在的一些气体，如甲烷、氨、氢等，对这些气体施加电火花作用，结果发现原先无色的气体变成了云状物，一种淡红色的物质沉淀在瓶壁上。这个实验为人们解开大红斑颜色之谜提供了有益的启示。相当一部分天文学家认为，大红斑的颜色可能来自于某种磷化物，似乎是红磷。大红斑的颜色有时显得极为艳丽，有时显得暗淡，只略微带红，有时只有红斑的轮廓。它位于赤道南侧，大约在南纬23°处，早在300年前，也就是17世纪时，卡西尼就通过观察发现了木星大红斑，也有认为是罗勃特·哈勃发现的。这个大红斑长25000千米，跨度12000千米，看上去像个椭圆，大概可以容纳下两个地球。巨大的圆形旋涡超过地球直径的3倍。在大红斑中心部位有个小颗粒，它是大红斑的核，其大小约几百千米。大红斑的气旋是以逆时针方向转动的，而大红斑的核在气旋作逆时针运动时却维持不动。通常情况下，大红斑的寿命都很长，其斑状结构一般会持续几个月或几年、几百年或更长久。另外，木星表面还有一些其他较小的斑点，这些也已被发现数十年了。这些大红斑的共同特点是在北半球作顺时针方向旋转，在南半球作逆时针旋转。气流从中心缓慢地涌出，然后在边缘沉降，遂形成椭圆形。这有点像地球上的风暴，不过规模要比风暴大得多，持续时间也长得多。通过红外线的观察，加上对它自转趋势的推导，从观察的资料上显示，大红斑是一个高压区，那里的云层顶端气压比周围其他地区要高出特别多，因此，温度低，特别冷。类似的情况在土星和海王星上也有。至于为什么这类结构能持续那么长的一段时间，目前还不清楚，有人认为木星又密又厚的大气是大红斑长寿的主要原因，但这只是一种猜测，具体原因还有待继续探悉。

木星大红斑

木卫二欧罗巴

木星拥有几十颗卫星，是太阳系中拥有卫星最多的行星。1610年，伽利略对木星进行观测，他观察到了木星的四颗卫星，分别为木卫一、木卫二、木卫三和木卫四，即从靠近木星的一端开始数，依次为：伊奥、欧罗巴、加尼美德、卡利斯托。由于是由物理学家伽利略最早发现的，因此现在通常把它们称作伽利略卫星。伽利略也是第一个发现了木星的这四颗卫星是不以地球为中心运转的人，这个发现成为了赞同哥白尼的日心说的有关行星运动的主要依据。

木星的磁场问题也成为人们探讨的焦点之一。木星是否也具有磁场呢？其磁场会是多大呢？这也是人类需要了解的一个问题。宇宙飞船发回的考察结果表明，木星具有极强的磁场，其表面磁场强度高达3～14高斯，而地球表面的磁场强度只有0.3～0.8高斯，可见它比地球的磁场要强得多。地球的磁场是偶极的，磁轴和自转轴之间有10°8′的倾角，木星的磁场同地球磁场的这个特征一样。但木星的磁极与地球不同，木星的正磁极指的不是北极，而是南极，这和地球刚刚相反。由于木星磁场强，与太阳风相互间产生作用，于是形成了木星磁层。木星磁层的范围比较大而且结构也很复杂。在距离木星140万～700万千米之间的巨大空间都是木星的磁层；而地球的磁层只在距地心7～8千米的范围内。为了避免遭受太阳风的袭击，木星的四个卫星都被木星的磁层所屏蔽了。同时，木星周围还存在着与地球周围一样的范艾伦带的辐射带。1981年初，当“旅行者2号”离开木星磁层飞奔至土星的途中，曾多次受到了木星磁场的影响。由此看来，木星磁尾至少拖长到了6000万千米，几乎已达到土星的轨道上。

木星的磁场示意图

木星的两极有极光，这似乎是从木卫一上火山喷发出的物质沿着木星的引力线进入木星大气而形成的。木星有光环。光环系统是太阳系巨行星的一个共同特征，主要由小石块和雪团等物质组成。木星的光环很难观测到，过去有人猜测木星附近有个尘埃层或环，但一直没有得到证实。后来通过飞行器对木星拍摄到的照片显示才证实了木星也有光环。

木星的光环没有土星那么显著壮观，但也可以分成四圈。主要分为内环和外环，外环较亮，内环较暗，几乎与木星大气层相接。木星环离木星12.8万千米，环宽约有6500千米，但厚度不到10千米，其形状像个薄圆盘。光环也环绕着木星公转，7小时转一圈。其光谱型为G型，反照率为0.05，比土星暗。它们由许多粒状的岩石材料组成，大部分是黑色碎石块，石块直径在数十米到数百米之间。由于黑石块不反射太阳光，因而长期以来，一直未被人类所发现。

要想对木星进行观测，可以用一般的小型双筒望远镜，通过它能看到木星及其周围的四大卫星，因为它的光度十分明亮，所以即使是在大都市中也可以在夜空中找到它的准确位置。而通过小型天文望远镜，则可以较清楚地看到木星的结构，如：大红斑与四大卫星，并且还能观察到卫星与木星的相对位置会跟随着时间的变化而改变，就像一个“小太阳系”一样，十分有趣。

木星是八大行星之一，但它仅仅只是行星吗？能不能把它看做是未来的一颗恒星，看做是正在向恒星方向发展的天体呢？也许这个问题初听上去会觉得太荒唐了，其实不然。在20世纪80年代初，前苏联科学家苏切科夫提出了一种新的见解，认为木星可能是颗正在发展中的恒星。这个见解一被提出，便遭到了不少非议。但是，苏切科夫的见解也并非“空中楼阁”，毫无依据。他的主要观点是：木星内部在进行热核反应，它有自己的热核能源，因此应将它归到“能自己发热、发光”的恒星类天体里去。

那么，究竟是不是这样的呢？

木星光环的组成

由于木星离太阳比地球远得多，它接受到的太阳辐射比地球要少，表面温度理所当然会低得多。根据计算得出的结果，木星表面温度应该是-168℃。可是，地面观测得出来的温度是-139℃，与计算值相差近30℃，这个值无论如何不可能是由误差造成的。后又让探测器在木星附近进行测量，测得的木星表面温度为-148℃，仍比理论值高出不少。这一系列数值说明木星有自己的内部热源。

同样，对木星进行红外线测量也反映出类似情况。若木星内部没有热源，它吸收到的热量和支出的热量应该达到平衡，地球和水星等行星就是这样。然而木星却不然，它的支出热量大于吸收到的，大1.5～2倍。这超支的能量是从哪里来的呢？很明显，只能由它自己内部的热源给以补贴。

木星会变成第二个太阳吗？

根据木星内部结构特点，其中心是木星核，那么内部的热源是不是由内核发生热核反应而产生的热量呢？许多人对此表示可疑，甚至认为这是不可能的。再说木星的质量并未达到太阳质量的0.07。与太阳相比，木星确实有点“小巫见大巫”。但这并不妨碍木星内部存在热源，因为其热量是在木星形成过程中产生并积累起来的。

探测器在木星附近测试其表面温度。

前苏联学者苏切科夫等认为木星内部正进行着热核反应，核心的温度高得惊人，至少有28万度，而且这个温度还将变得越来越高，与此同时，它也会释放更多的能量，释放的速度也将进一步加快。换句话说，木星在逐渐变热，最终变成一颗名副其实的恒星。这个意见在科学界是颇为新颖的。而我国学者刘金沂通过对行星亮度的研究，也从一个侧面为该理论提供了证据。他发现在过去很长的一段历史时期里，水星、金星、火星和土星的亮度都有减小的趋势，而唯独木星的亮度在增大。如果前述四行星的亮度减小与所谓的太阳正在收缩、亮度在减弱有关，那么，木星亮度增大的原因一定是在木星本身。这个结论无异对苏切科夫等的观点作了注释。

此外，太阳不仅每时每刻向外辐射出巨大的能量，同时也以太阳风等形式持续不断地向外抛射各种物质微粒。它们在行星星际空间前进时，木星也会俘获其中相当一部分。经过积累，木星的质量在不断增加，将逐渐接近和达到一个恒星所必需的最低条件；另一方面，木星在截获来自太阳的各种粒子时，也获得了它们携带的能量。即，太阳以自己的日渐衰弱来促使木星日益壮大，最后达到两者几乎并驾齐驱的程度，使木星最终成为一颗恒星。据说这个过程大致需要30亿年的时间。若真到那时，那现在的太阳系将成为以太阳和木星为两主体的双星系统；也有可能木星在其“成长”过程中，将一些小天体俘获过来，建立起以自己为中心的另一个“太阳系”，与现在以太阳为中心天体的“太阳系”平起平坐。

若真要发生这种大变迁，它会带来什么后果呢？特别是地球和地球上的人类该怎么办呢？有的人不免会产生恐慌感。其实，木星变成恒星，这只是一家之见，何况还有30亿年的漫长岁月。真要变迁，那也只能接受，毕竟事物发生变化是种必然结果。

在目前观测水平和理论水平不完善的情况下，很多重大的自然科学之谜根本就无法解答，即使是在可以预见到的将来，恐怕也未必能理个头绪出来。这一系列问题，无疑会在很长的一段历史时期里，成为科学家们一直孜孜不倦地探讨的课题。