行星科普 | 木星

179262183

木星大概是一个过于知名的天体吧，大家肯定不会是从《流浪地球》那里才知道木星的。木星的容貌过于引人注目且令人印象深刻，巨大的体积、油画一样的云层、迷人的大红斑无不是它鲜明的印记。今天让我们一起走近这个充满故事的大家伙。

旅行者1号拍摄的木星照片——木星最经典的影像之一

01

木星概况

让我们开始认真地了解一下这颗行星。

木星是太阳系由内向外的第五个行星，也是太阳系最大、最重的行星。它的质量约2×10^27kg，约为太阳的千分之一，是地球的三百倍以上，是太阳系其余行星质量之和的2.5倍。它的半径大约为70000km，体积为地球的1300倍。木星的自转很快，一昼夜仅有9.925h，因而星体更加扁平，偏心率比地球大，约为0.05（相比之下地球为0.003）。它的公转轨道是一个偏心率不大的椭圆，半长轴为地球轨道半径的5.2倍，周期为11.86个地球年。

以上是一堆枯燥无味的物理参数，但笔者认为这些数字并不是让人看着头痛的，正是凭借这些数字，我们才能够刻画出一个天体在宇宙中的样子。

02

地球人与木星的故事

木星靠着反射太阳光而被地球上的裸猿们看到，虽然它的距离很遥远，但凭借它巨大的面积和较高的表面反照率，它依旧能够成为夜空中除了月亮和金星之外最亮的天体。它的视星等通常都在-2等以上，所以人们很容易就会注意到这个格外明亮的在背景星空中不断运行的天体。因此世界各地的古代天文文化中木星都占有重要的地位。

木星的英文名字Jupiter出自罗马神话的众神之主朱庇特；在日耳曼人的神话中，木星的形象是雷神Thor（喜欢漫威的人们应该对此不会陌生），这也是英语中Thursday一词的来源。在中国和受汉文化影响的东亚国家中，“木星”一词根据五行学说而得名；同时，木星又被称为“岁星”，因为木星大约每12年会沿着黄道运行一周，古代中国人以此为依据将黄道划分为12个区域并各自赋予名字（古希腊黄道十二宫的划分也与木星的运行有关），由此也发展出岁星纪年法这个比较少见的纪年方式。一个著名的例子是，西周初年的青铜器利簋上铭文上记载有“甲子朝岁鼎”一词，学者推测它的意思是甲子日木星上中天，并由此计算出了武王灭商的年代，这件青铜器现藏中国国家博物馆。

在望远镜被发明出来前，人们无法看清木星更多的细节，木星只有制定历法上的意义。直到伽利略用自己的望远镜指向木星并辨认出木星的四个大卫星，木星的细节特征才开始逐渐被发现，它开始成为一个吸引科学家兴趣的有趣天体。后来的观测发现了木星赤道南北的暗色云层，又发现了木星著名的“大红斑”。今天我们用一台小的望远镜就能够看到木星的四颗伽利略卫星和表面的暗色云带。17世纪的天文学家还曾通过对木星在不同位置时木卫凌食的观测估计过光速的大小。随着地基光学望远镜的发展，木星越来越多的细节被人们看到，木星的物理参数、化学组成等都逐渐被科学家们揭示出来。

20世纪下半叶，多波段的天文观测和宇航探测都开始蓬勃发展，人类对木星的研究进入前所未有的新阶段。地面上的射电观测发现了木星很多前所未知的物理现象，空间探测让人类能够近距离地研究木星。从上世纪70年代开始，人类对木星进行了多次飞掠和轨道探测。飞掠探测以两艘先驱者号和两艘旅行者号最为知名，很多探测太阳系其它目标的探测器也会借飞掠木星进行加速。迄今为止已有两个探测器进入过环绕木星的轨道，分别是伽利略号和近年的朱诺号，这两艘探测器都对人类认识木星做出了卓越的贡献。



朱诺号木星探测器

如果未来地球真的需要在流浪途中借用木星进行加速，地球人与木星的缘分还远未结束。

03

木星的物理



木星被成为一个“气体巨行星”，它的结构和地球、火星等有硬质岩石表面的行星截然不同。木星的成分以氢、氦为主，兼有少量其它重元素，和恒星及星际物质的成分是接近的。但其实木星并非一个完全由气体构成的星球，在内部巨大的压强下，物质不会一直以气态的形式存在。木星没有严格的“地面”，在木星大气中逐渐往深处走，在深度小于1000km时，物质基本上以气态存在；继续向下，温度和压强都增大，物质变得越来越稠密，此时的氢没有明确的气液之分，是一种成为“超临界流体”的状态。木星内部的大部分区域由金属氢组成，这是氢元素在高温高压下形成的具有金属的导电特性的流体。木星的最内层据推测是由岩石和冰构成的核心区，但其具体的组成人们仍旧不甚清楚。这个核心的存在是现有行星形成理论预测的结果，但由于引力测量没有达到足够的精度，我们甚至无法准确得知这样的核心是否已在木星的演化过程中消失。



木星表面（原图是一张动图）

木星具有太阳系规模最大的行星大气，它的深浅相间的云带是它最引人注目的表面特征之一。这些云带的宽度和颜色都能够观察到年际的变化，但是它们足够稳定，使之能够作为相对固定的表面特征加以研究。棕色被认为是由木星大气深层来到表层的物质在太阳紫外线的作用下形成的，这些物质可能包括磷、硫和烷烃等。不同环带之间的相互作用造成了风暴和湍流，这些作用形成了我们看到的木星表面的形态。



大红斑特写

著名的大红斑就是木星表面巨大的反气旋系统，根据观测记录，大红斑最早的记录可以追溯到17世纪，于是这个风暴已经至少存在了300年之久。大红斑的尺度很大，地球可以被整个放进它的边界中，在地球上用12cm以上口径的望远镜就可以辨认出这个结构。进来的观测发现大红斑的尺度有所减小，颜色也逐渐变深，原因尚且没有定论。

一个有趣的物理事实是，如果木星的质量比当前的数值大一点，它将会在自身引力的作用下坍缩，体积将会比现在更小。事实上，木星的体积接近于行星能够达到的体积的上限。体积最小的红矮星只比木星大大约30%，但是质量则是木星的80倍左右。但木星形成时的确经历过与恒星形成类似的坍缩过程，这个过程中释放的引力能会在很长的时间内以热量的形式缓慢释放，所以木星辐射出的热量仍高于它接收的太阳辐射能。

04

木星的卫星

木星有数十颗绕之运转的卫星，其中的大部分都小而不规则。但是四颗伽利略卫星则大而明亮，在地球上我们用小望远镜就能轻松看到木星盘面上四个明亮的光点。这四颗卫星各具特色，均是太阳系中的靓丽风景。



木星的4颗伽利略卫星

木卫一 (Io) 是四颗大卫星中最靠近木星的，它是太阳系第四大的卫星。它外表被硫磺覆盖，表面分布着大量的火山，事实上，木卫一是太阳系中地质活动最活跃的天体。它由于距离木星很近，木星引力造成的潮汐力会在星体内部造成摩擦，进而产生大量地热，由此造就了如此丰富的地质活动。

木卫二 (Europa) 是一颗被冰层覆盖的卫星。由于木星对它也会有潮汐力的作用，人们推测木卫二的冰层之下也可能存在液态水的海洋，这样的可能性让人们对地外生命产生了很多联想。

木卫三 (Ganymede) 是整个太阳系最大的卫星，它的大小比身为行星的水星还略大一些。它也是太阳系中唯一一个拥有磁层的行星，这可能与它的液态铁核心的对流有关。

木卫四 (Callisto) 距离最远，是四颗卫星中第二大的，也是太阳系第三大的卫星。它几乎由等量的岩石和水冰组成，这使它成为四颗卫星中密度最小的一个。由于远离木星及其强辐射，它被认为是人类进一步探索木星时理想的基地选址。

05

木星之于太阳系



木星附近小天体的分布

木星巨大的质量和引力对于塑造太阳系的形态具有重要的意义，它深刻影响着太阳系的演化。

木星引力制约着众多太阳系小天体的轨道。有理论认为，火木之间的小行星带的存在就与木星有关，木星的引力让这个区域内小天体无法聚集在一起成为行星，于是就作为小行星带存留于今天的太阳系之中。木星轨道上的两个拉格朗日点附近各有一个小行星群，分别成为“希腊群”和“特洛伊群”，这些小行星可以在木星和太阳的引力下维持稳定的轨道。

1994年，震惊世界的彗木相撞事件在太阳系上演，苏梅克-列维9号彗星落入木星的引力势阱并被潮汐力撕裂为21块，它们依次与木星相撞，在木星上留下了巨大的深色疤痕。有学者认为，这样的事件表明木星是内太阳系的保护伞，它的强大引力改变了很多彗星的轨道，使它们免于与内太阳系的行星相撞。

遭遇撞击后的木星

另一个有趣的事实是，木星的质量足够大，致使它和太阳的质心落在太阳表面之外——这意味着太阳和木星可以说是一个“双星系统”，它是太阳系唯一一个具有这样性质的天体。

关于木星的故事还有很多，

太阳系的其它小伙伴更有着说不完的精彩

关注青年天文学会，

让我们继续领略太阳系的瑰丽与震撼！

文案：张亦松

排版：席晓婷

审核：赵鑫淼