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木星的风暴下发生了什么?

发布时间:2019-08-30 15:27:47  作者:漫步宇宙  来源:漫步宇宙  阅读:98

      1.在下面这张动图中,我们看到了一个围绕着恒星的行星形成盘的演化。
    木星的风暴下发生了什么?
      行星形成盘的演化。| NASA
      起初,行星形成盘是尘埃和气体的混合物,但气体并不会逗留太久。这是因为当处于中心的恒星被点燃时,由恒星释放出的辐射会驱赶周围的气体,最终留下一个只有尘埃的圆盘,如此一来为气态巨行星(比如木星)的形成创造了可能。巨行星必须成长到足够大,才能在恒星将气体全部赶走之前开始吞噬气体。
      目前的一些模型表明,要做到这一点的最佳途径是从一个质量大约是地球的10倍的大质量固体开始。这样才足够大到可以迅速地吸入气体,并且开始一个失稳过程。通过这个过程,不断增加的质量会从圆盘的更远处将更多的物质吸入。这意味着在木星上,云层和金属氢层的深处,有着一个固体内核。而且这是一个很大的内核,如果剥去在它之上的所有物质,你会发现它的大小足以使地球相形见绌。
      朱诺号的一项任务便是要通过研究木星这颗巨行星的引力场来验证这一想法。但它发回的数据表明,木星内部正发生着一些奇怪的事:处于核心区域之外的物质比我们此前预想的要更重!
      现在,一个国际研究小组为此提供了一个可能的解释:木星的核心曾被一颗巨大的原行星(胚胎行星,会逐渐形成一颗真正的行星)从正面撞击而粉碎过。
      2.靠近木星的朱诺号。朱诺号可以精确地测量木星的引力场,天文学家由此可获取关于木星的成分和内部结构的信息。| NASA/JPL-Caltech/ AmericaSpace
    木星的风暴下发生了什么?
      显然,我们无法直接探究木星内部究竟发生了什么,而是必须根据从木星引力场得出的推论来弄清那里究竟有什么。朱诺号是第一个专为提高我们对引力场的理解而打造的探测器。新的数据还在源源不断地传回,但根据已有数据进行的初步分析表明,木星有着一个被“稀释了”的核心。更重的那些固体物质并非集中在最核心区,而是广泛地分布在木星内部,离行星表面一半的距离内。
      而过去我们认为,要产生像木星这样的行星,唯一的途径就是要从一个固体的内核开始,因此究竟为何会发生这种现象就完全不清楚了。或许来自朱诺的进一步数据有可能表明,这不太可能是一个稀释核。又或者,我们的行星形成模型可能是错误的。不过,目前,研究人员假设一切都是正确的,只是木星内部真的发生了一些我们意想不到的事。
    木星的风暴下发生了什么?
      木星的构造。中心的岩核被一层液态金属氢包围。| Wikimedia Commons
      有一种可能的解释是:木星的金属氢层已经逐渐侵蚀了核心,但我们并不确定金属氢是否真的能够做到这一点,也不知道较重的元素会如何在混在其中。而论文作者则认为木星的核心可能是在一次碰撞中被破坏的,这可能与形成了地球-月球系统的撞击很像,只不过在规模上有很大不同。
      碰撞可能是由木星本身的形成驱动的。一个质量为10个地球质量的核心只占木星最终质量的5%左右,在不到100万年的时间里,围绕着它的气体逃逸过程能使它的引力增加30倍。附近的任何其他天体都可能被卷入一场碰撞。由于我们认为木星的核心是通过一系列较小天体间的碰撞形成的,因此很有可能附近会存在一些能发生碰撞的东西。
      为了验证这一观点,研究人员对早期太阳系进行了大量模拟,他们调试了木星的精确结构和附近的轨道天体,发现在许多这样的模拟中,木星的成长会导致在它附近的天体越过轨道,从而频繁地发生碰撞。由于木星拥有巨大的引力,因此大多数的碰撞最终都是迎头相撞,将原行星直接送入木星的核心。
      3.接着,他们转向另一组模拟去研究木星核心的变化。在这些模拟中,确切的细节取决于撞击木星的天体的大小,以及撞击发生时木星的大小。他们模拟了木星被一个核心为8个地球质量、周围环绕着质量为2个地球质量的气体的天体撞击。较小的天体,如地球般大小的原行星,会在到达木星核心之前就在大气中解体。
      尽管这次碰撞规模大得惊人,但它只给木星形成过程中产生的总能量增加了一小部分。但它却能改变核心本身的能量。核心会开始振荡,对流会将这些振荡的产物带到更高的行星包层。在短短几天时间之内,木星就进入了一种核心向外弥漫的状态,并且这种弥漫几乎能延伸到离行星表面一半的距离。
    木星的风暴下发生了什么?
      45亿年前,一颗质量约为10倍的原行星很可能迎面撞上年轻的木星。在这张模拟图中,从左到右,可以看到撞击以及后果。| S. LIU ET AL/NATURE 2019
      当然,这一事件发生在40多亿年前,而且在朱诺号探测到它之前,它一定是维持稳定的。研究人员发现,如果木星内部温度稳定在3万开尔文,那么这是可能的。如果温度更高,对流就会变得高到足以消除地核与其周围环境之间的温度梯度,从而稳定地核之上较重物质的存在;如果温度更低,对流就会不够强,那么更重的物质会重新回到核心。
      由于大多数行星被认为是由原行星和更小的天体之间多次碰撞形成的,所以论文的作者认为有必要探索弥漫的核心是否会是气态巨行星所拥有的共同特征。许多巨型的系外行星的大气中似乎含有很高的金属含量,这或许就是类似撞击事件的产物。
      不过目前,天文学家还没有直接能用来检验这些观点的方法,而且朱诺号所带来的进一步数据仍有可能为这个问题提供新的线索。但如果这一想法成立,行星科学家们将需要开始思考这些碰撞的影响,并可能要为它们在气态巨星上留下的痕迹提出一些明显的迹象。