科學家揭示土星木星內部驚人差異

　　利用行星探測器發出的無線電信號，研究人員得以穿透隱藏在木星和土星內部的旋渦云。在那里，巨大的壓力將物質轉化為地球上未知的形態。這項由意大利羅馬大學Luciano Iess領導的研究，將美國宇航局（NASA）的兩架探測器（探測土星的“卡西尼”號和探測木星的“朱諾”號）發出的信號用于探測這些氣態巨行星內部深處的引力變化。

　　研究人員發現，這是一場高風險的比較游戲。去年發表在《自然》雜志的木星研究和上周發表在《科學》雜志的土星研究表明，“這兩顆行星比我們想象的要復雜得多”。瑞士蘇黎世大學行星科學家Ravit Helled說：“這些巨大的行星并非簡單的氫球和氦球。”

　　20世紀80年代，Iess幫助開發了“卡西尼”號的無線電儀器，該儀器能夠發出異常清晰的信號，因為它在Ka波段工作，相對來說不受星際等離子體噪音的干擾。通過監測信號的波動，研究小組計劃在該探測器于1997年開始的土星之旅中尋找宇宙引力波，并測試廣義相對論。Iess的研究小組在2011年發射的“朱諾”號探測器上也安裝了類似的設備，但這次的目標是研究木星內部。

　　“朱諾”號每隔53天就會近距離掠過木星表面，每次經過木星表面時，隱藏在木星內部的引力都會對探測器施加1分鐘的牽引，導致其無線電信號產生微小的多普勒頻移。Iess和他的團隊起初認為，由于土星光環的引力影響，測量這些頻移是不可行的。但是這個障礙在10年前消失了，這是因為“卡西尼”號團隊決定結束這項任務，并將探測器送上一系列名為“終場演奏”的軌道。這些軌道位于土星環之下，從而消除了光環的影響。因此，Iess和他的同事可以利用無線電波動繪制這兩顆行星的引力場形狀，進而推斷出這兩顆行星內部物質的密度和運動情況。

　　其中一個目標是探測將氣態巨行星上的云“抽打”成不同水平條帶的強風根源。科學家認為，這些風要么是像地球上的風那樣的淺層風，要么是非常深的風，它們穿透數萬公里進入行星。在那里，極端的壓力會將電子從氫中剝離出來，使其變成類似金屬的導體。對木星來說，最終的結果是一個謎：時速500公里的風并不淺，但它們只到達這顆行星3000公里深處，約為其半徑的4%。而土星則帶來了一個不一樣的謎團：盡管它的體積較小，但它表面的風最高時速達到1800公里，深度則是前者的3倍，至少達到9000公里。“每個人都大吃一驚。”Iess說。

　　科學家認為這兩項發現的原因在于行星的深層磁場。在大約10萬倍于地球大氣的壓力下——遠低于產生金屬氫的壓力，氫會部分電離，變成一個半導體。這使得磁場可以控制物質的運動，防止其穿過磁場線。以色列雷霍沃特市魏茨曼科學研究所行星科學家Yohai Kaspi曾與Iess合作，他說，“磁場凍結了流體”，從而使行星變得堅硬。木星的質量是土星的3倍，這就導致了大氣壓力的快速增加——大約是土星的3倍。“這基本上是相同的結果”，Kaspi說，但是剛性在較淺的深度就會出現。

　　“朱諾”號和“卡西尼”號的數據只能提供有關更大深度的微弱線索。科學家曾經認為，這些氣態巨行星的形成與地球非常相似，它們在從原行星盤吸走氣體之前就已經形成了一個巖石內核。這樣一個宏大的過程可能會產生不同的層，包括一個富含重元素的離散核心。但是“朱諾”號的測量結果通過模型解釋后表明，木星的核心只有一個模糊的邊界，它的重元素在其半徑的一半以內逐漸減少。德國羅斯托克大學行星科學家Nadine Nettelmann表示，這意味著木星可能從一開始就是由蒸發的巖石和氣體形成的，而不是先形成巖石內核，再加入氣體。

　　而有關土星的情況仍不明朗。“卡西尼”號的數據顯示，其核心質量可能是地球的15到18倍，重元素的濃度可能高于木星，這表明它可能有一個更清晰的邊界。但帕薩迪納市加州理工學院行星科學家、“朱諾”號共同研究者David Stevenson說，這種解釋是暫時的。Iess說，更重要的是，“卡西尼”號受到土星深處某種無法用風解釋的東西的牽引。“我們稱之為土星引力的黑暗面。”Stevenson補充說，無論是什么原因導致了這種引力，它都是在木星上未曾發現的。“這是一個重大的結果。我想我們還沒想明白。”

　　加州大學圣克魯茲分校行星科學家Chris Mankovich說，由于“卡西尼”號項目以“終場演奏”而告終（該探測器最終在土星大氣中焚毀殆盡），“短期內不會有更好的測量方法”。但是，盡管這些光環使引力測量變得復雜，它們也提供了一個機會。由于某種未知的原因——也許是風，也許是其許多衛星的引力，土星在振動。這些振蕩的引力作用使其光環的形狀扭曲成星系螺旋臂的形狀。其結果是一個振動的可見記錄，就像地震儀上的痕跡，科學家可以通過破譯這些記錄探測該行星。Mankovich說，很明顯，其中一些振動到達了土星的內部深處，并且他已經用“環形地震學”估算土星內部的旋轉速度。