木星在中國(guó)古代被稱(chēng)為“歲星”。它繞太陽(yáng)運(yùn)行一周的時(shí)間為12年，與地支相同。這一特性使得木星成為了天空中一個(gè)巨大的時(shí)鐘，具有紀(jì)年和修訂歷法的重要意義。
此外，中國(guó)古代還認(rèn)為木星與農(nóng)業(yè)之間有著特殊的聯(lián)系?！痘茨献?天文訓(xùn)》中有一段文字講道（大意）：歲星所在之處五谷豐登，第三年會(huì)有饑荒，第六年進(jìn)入衰落，第十二年又開(kāi)始興盛。在《史記》、《漢書(shū)》等史書(shū)中也明確記載歲星是主管農(nóng)業(yè)的星官，地位極為崇高，并且有專(zhuān)門(mén)建造的廟宇來(lái)供奉歲星。這一祭祀制度甚至一直延續(xù)到了晚清。
[圖片說(shuō)明]：2000年12月7日由“卡西尼”探測(cè)器所拍攝的木星照片。照片左下角的黑色斑點(diǎn)是木衛(wèi)二所投下的影子。版權(quán)：NASA。
無(wú)獨(dú)有偶，古巴比倫人把木星視為他們的主神馬爾杜克，他在諸神中地位最高。他們還利用木星為期12年的軌道來(lái)定義黃道星座。在古羅馬，木星被稱(chēng)為朱比特，是羅馬神話(huà)中的眾神之神，相當(dāng)于希臘神話(huà)中的宙斯。
盡管自望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之后，人們才對(duì)木星的物理性質(zhì)開(kāi)始有了深入的了解，但是古人對(duì)木星“王者”地位的猜想?yún)s是完全正確的。木星在太陽(yáng)系的八顆行星中，無(wú)論是質(zhì)量還是體積都獨(dú)占鰲頭。它的質(zhì)量達(dá)到了太陽(yáng)的大約千分之一，超過(guò)了其他行星質(zhì)量總和的2.5倍。它龐大的體積更是需要1,300多個(gè)地球才能把它“填滿(mǎn)”。
雖然在伽利略首次把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)它之后的400年里木星一直沒(méi)有逃脫地面望遠(yuǎn)鏡的窺探，近幾十年來(lái)更是有不少探測(cè)器頻繁光顧，但是“行星之王”卻依然保持著它的威嚴(yán)和神秘。它身上的四大謎案一直讓天文學(xué)家們揮之不去。
木星的內(nèi)部是個(gè)什么樣子？
木星被認(rèn)為擁有一個(gè)高密度的核心。在它之上則是一層參雜有氦的液態(tài)金屬氫——?dú)浔怀浞謮嚎s之后經(jīng)過(guò)相變而產(chǎn)生的。再往外就是由液態(tài)和氣態(tài)氫組成的木星大氣。
除了這些“粗線(xiàn)條”的描述之外，天文學(xué)家對(duì)于木星內(nèi)部核心可謂知之甚少。他們通常假設(shè)木星的核心是由巖石組成的，但是當(dāng)談及它具體組成的時(shí)候，大家又莫衷一是。原因就在于對(duì)超高壓下物質(zhì)的性質(zhì)幾乎一無(wú)所知。雖然地球上的實(shí)驗(yàn)室也正在想盡辦法來(lái)模擬木星內(nèi)部的極端物理狀況，但是這些實(shí)驗(yàn)?zāi)壳八芊抡娴某潭群捅旧淼恼`差都遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到讓人滿(mǎn)意的程度。
于是，與其從內(nèi)部著手也許不如從外部深入。通過(guò)對(duì)木星重力場(chǎng)的測(cè)量，推測(cè)出它可能有一個(gè)質(zhì)量為12～45個(gè)地球質(zhì)量的核。核的存在倒是和木星是從一個(gè)巖質(zhì)或者冰質(zhì)核心通過(guò)吸積原太陽(yáng)星云中的氫和氦而形成的理論相符，但是隨著時(shí)間的流失高溫的液態(tài)金屬氫會(huì)將核心物質(zhì)融化，并且通過(guò)對(duì)流將其帶到木星的其他地方。因此木星的內(nèi)核也許早就被“侵蝕”殆盡了，而目前的低精度測(cè)量根本無(wú)法給出一個(gè)具有決定性的結(jié)論。
另外，觀測(cè)還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有意思的現(xiàn)象，木星能發(fā)出相當(dāng)于它所接收的陽(yáng)光20倍的輻射。這些輻射都來(lái)自其內(nèi)部液體的對(duì)流，因此木星可能都具有絕熱并且充分混合的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。假設(shè)木星是均勻的并且完全由對(duì)流來(lái)冷卻，再假設(shè)木星所輻射的能量是45.5億年前它形成時(shí)所殘留下來(lái)的，那么由此得出的木星輻射功率和觀測(cè)到的值很接近。但是木星并不是均勻的，具有顯著的分層結(jié)構(gòu)。
那么，木星的內(nèi)部到底是什么樣子？也許木星的云頂可以給我們一些解答。雖然木星的大氣中充滿(mǎn)了湍流，但是大氣中的云帶卻是極為穩(wěn)定的，一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)幾乎沒(méi)有發(fā)生過(guò)變化。這是否意味著這些云層具有很深的“根基”呢？下一代的木星探測(cè)器將對(duì)木星的重力場(chǎng)進(jìn)行詳盡地測(cè)量，期望能從局部的重力變化中反演出云帶的構(gòu)造，進(jìn)而得知木星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
木星是怎樣形成的？
從1995年首次發(fā)現(xiàn)到2009年8月，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)360顆太陽(yáng)系外行星。其中絕大部分是通過(guò)測(cè)量宿主恒星的視向速度變化而發(fā)現(xiàn)的。在這些太陽(yáng)系外的行星中，絕大多數(shù)又是距離恒星較近的高溫氣態(tài)巨行星。作為氣態(tài)巨行星的代表，木星為我們提供了一個(gè)足不出“戶(hù)”就能研究它的這些“遠(yuǎn)親”的機(jī)會(huì)。了解木星的形成過(guò)程也會(huì)為了解氣態(tài)巨行星的形成提供重要的線(xiàn)索。
氣態(tài)巨行星的形成牽涉到兩種可能的機(jī)制：核心吸積和引力坍縮。顧名思義，核心吸積事先需要一個(gè)大約10個(gè)地球質(zhì)量的固體冰質(zhì)或者巖質(zhì)核心，隨后它會(huì)吸積周?chē)臍怏w形成木星這樣的氣態(tài)巨行星。核心吸積過(guò)程必須按部就班地一一進(jìn)行，所以歷時(shí)較長(zhǎng)。與之形成對(duì)比的是引力坍縮機(jī)制。由于恒星周?chē)行潜P(pán)中的局部引力不穩(wěn)定性，氣態(tài)巨行星可以直接由此坍縮而成。雖然可以借此方式快速形成，但是這一過(guò)程需要一個(gè)大質(zhì)量的行星盤(pán)，而且在不穩(wěn)定性出現(xiàn)之前還要等上相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。為了甄別這兩種機(jī)制，就需要了解這些氣態(tài)巨行星的組成，尤其是氧元素的豐度（含量）。顯然，木星提供了一個(gè)“近在咫尺”的機(jī)會(huì)。
為了了解氧在木星中的豐度，就需要了解木星中含有多少水。由于形成于距離太陽(yáng)較遠(yuǎn)的地方，太陽(yáng)的熱量不會(huì)破壞具有揮發(fā)性的物質(zhì)。因此木星很可能現(xiàn)在還保留著和原太陽(yáng)星云相同的物質(zhì)豐度，這同時(shí)也意味著木星中水的含量就像是一塊被埋藏在木星內(nèi)部的遠(yuǎn)古“化石”。
不幸的是，測(cè)量木星中水的豐度卻并非易事。它們?cè)谀拘堑脑祈斨卸寄鄢闪吮В茈y從遠(yuǎn)距離進(jìn)行測(cè)量。因此必須深入木星內(nèi)部，在那里水會(huì)呈現(xiàn)為液態(tài)。但這說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難?！百だ浴蹦拘翘綔y(cè)器曾在木星不同的深度測(cè)量了水的豐度，但是結(jié)果卻和任何一個(gè)理論模型都對(duì)不上。因此不是理論模型都錯(cuò)了，就是探測(cè)到的數(shù)據(jù)本身具有特殊性?，F(xiàn)在科學(xué)家們相信“伽利略”正好降落進(jìn)了一片干燥的下沉氣流，因此其中僅有少量的水，于是也就無(wú)法真正地反映出木星中有多少氧。
氧是宇宙中僅此于氫和氦的第三大元素，但是它對(duì)于木星的組成而言仍然是缺失的一環(huán)。同時(shí)木星中的水也是一個(gè)巨大的謎，并不僅僅因?yàn)樗从沉颂?yáng)系中氧和氫的含量，它還和木星的天氣系統(tǒng)息息相關(guān)。在木星上可以看到巨大的閃電和雷暴，這些都是由水操控的天氣過(guò)程的最底層表現(xiàn)。
木星的大氣從哪兒來(lái)？
如果說(shuō)木星中的氧元素隱藏著原太陽(yáng)星云的秘密，那么木星中的其他重元素則暗含著木星大氣由來(lái)的玄機(jī)。
在“伽利略”木星探測(cè)任務(wù)之前科學(xué)家們認(rèn)為，在太陽(yáng)系形成的早期冰質(zhì)的星子會(huì)俘獲重元素，并且將它們帶入形成中的氣態(tài)巨行星內(nèi)部。如果真是如此的話(huà)，通過(guò)比較現(xiàn)在木星和太陽(yáng)的重元素組成就能告訴我們木星是如何長(zhǎng)成現(xiàn)在這個(gè)樣子的。
與預(yù)想中木星和太陽(yáng)具有不同的重元素比例不同，“伽利略”探測(cè)器發(fā)現(xiàn)兩者具有相同的重元素豐度。唯一的不同是，木星的含量是太陽(yáng)的3倍。雖然還不清楚這一結(jié)果的真正含義，但是它卻實(shí)實(shí)在在是個(gè)問(wèn)題。木星比太陽(yáng)含有更多的硅和碳好解釋——它可能在形成的過(guò)程中“吞噬”了許多小行星。但是木星富含氬這樣的稀有氣體就無(wú)法解釋了。
或許木星形成于行星吸積的晚期，當(dāng)時(shí)這些氣體還非常豐富。或者木星形成時(shí)的位置并非是現(xiàn)在它所處的地方，是事后才遷移過(guò)來(lái)的。如果木星確實(shí)形成于目前所在位置的話(huà)，那么太陽(yáng)星云的溫度就會(huì)比原先設(shè)想的更低。
對(duì)這個(gè)問(wèn)題的回答還直接關(guān)系到地球的大氣和海洋是從哪兒來(lái)的？對(duì)于地球而言，由于更為靠近太陽(yáng)，揮發(fā)性物質(zhì)難以被保存，因此地球上的水很可能來(lái)自彗星。
木星的磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生的？
木星有著太陽(yáng)系行星中最強(qiáng)大、延伸范圍最廣的磁場(chǎng)。它的強(qiáng)度是地球磁場(chǎng)的14倍。假設(shè)木星的磁場(chǎng)從地球上能用肉眼看到的話(huà)，那么它所延伸的范圍足有兩個(gè)滿(mǎn)月的直徑那么大。在現(xiàn)實(shí)中，木星的磁場(chǎng)可以延伸大約160萬(wàn)千米，是太陽(yáng)直徑的10倍左右。
產(chǎn)生木星磁場(chǎng)的內(nèi)部“發(fā)電機(jī)”和木星的自轉(zhuǎn)軸之間有11?的夾角，它是如何工作的幾十年來(lái)也一直是個(gè)謎。綜觀地球的歷史，地磁場(chǎng)曾發(fā)生過(guò)數(shù)次南北極翻轉(zhuǎn)的事件，那么木星的磁場(chǎng)是不是也發(fā)生過(guò)類(lèi)似的現(xiàn)象？為了回答這些問(wèn)題唯有近距離飛臨木星的兩極才能尋找到答案。
但是這樣也會(huì)造成巨大的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樘綔y(cè)器在木星的兩極必須要面對(duì)具有破壞性的輻射環(huán)境。在那里木星強(qiáng)大的磁場(chǎng)會(huì)加速帶電粒子形成太陽(yáng)系中最強(qiáng)烈的極光。
美國(guó)宇航局的錢(qián)德拉X射線(xiàn)天文臺(tái)對(duì)木星的極光觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，其中有高度電離的粒子撞入了木星兩極上空的大氣。X射線(xiàn)譜顯示，木星的極光是由高價(jià)氧離子以及其他元素的離子所造成的。這就要求這些離子在木星的極區(qū)要被加速到百萬(wàn)伏特的高能量狀態(tài)，暗示著木星極光的成因與地球的可能截然不同。
在地球上，極光是由于太陽(yáng)風(fēng)暴中的高能粒子擾動(dòng)地球磁場(chǎng)所產(chǎn)生的。來(lái)自太陽(yáng)的粒子也可以產(chǎn)生木星的極光，但木星的極光來(lái)自于另一種機(jī)制。由于木星的高速自轉(zhuǎn)、強(qiáng)大的磁場(chǎng)以及來(lái)自木衛(wèi)一火山活動(dòng)噴出的大量粒子，因此木星有巨大的電子和離子儲(chǔ)備。這些帶電粒子被束縛在木星的磁場(chǎng)中，并且會(huì)被不斷地加速撞入木星極區(qū)大氣產(chǎn)生極光，所以木星的兩極幾乎總是存在極光活動(dòng)。
如果產(chǎn)生極光的粒子來(lái)自太陽(yáng)，那么這些粒子中應(yīng)該含有大量的質(zhì)子，它們會(huì)產(chǎn)生紫外極光。在“錢(qián)德拉”觀測(cè)的期間，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡也對(duì)木星進(jìn)行了紫外觀測(cè)，只發(fā)現(xiàn)了微弱的紫外暴發(fā)。綜合兩者的觀測(cè)，木星極光是由于束縛在木星極區(qū)上空的氧和其他元素的離子被加速所造成的。雖然引發(fā)極光的源頭清楚了，但是產(chǎn)生極光的具體細(xì)節(jié)還需要木星探測(cè)器親臨現(xiàn)場(chǎng)才能告訴我們一個(gè)究竟。
盡管木星身上有著這些興許在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法解開(kāi)的謎題，但是讓我們暫時(shí)把這些留給天文學(xué)家和未來(lái)的木星探測(cè)器。在此國(guó)際天文年之際，讓我們不妨用望遠(yuǎn)鏡去一窺行星之王的身姿，去感受一下它那看上去猶如大理石一般的“材質(zhì)”，去體會(huì)一下400年前當(dāng)伽利略首次在目鏡中看到它時(shí)的那份激動(dòng)。
（本文已刊載于《天文愛(ài)好者》雜志2009年第12期）
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