作者:赵熙熙 来源:中国科学报 发布时间:2019/1/22 9:30:27
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科学家揭示土星木星内部惊人差异

 

本报讯 利用行星探测器发出的无线电信号,研究人员得以穿透隐藏在木星和土星内部的旋涡云。在那里,巨大的压力将物质转化为地球上未知的形态。这项由意大利罗马大学Luciano Iess领导的研究,将美国宇航局(NASA)的两架探测器(探测土星的“卡西尼”号和探测木星的“朱诺”号)发出的信号用于探测这些气态巨行星内部深处的引力变化。

研究人员发现,这是一场高风险的比较游戏。去年发表在《自然》杂志的木星研究和上周发表在《科学》杂志的土星研究表明,“这两颗行星比我们想象的要复杂得多”。瑞士苏黎世大学行星科学家Ravit Helled说:“这些巨大的行星并非简单的氢球和氦球。”

20世纪80年代,Iess帮助开发了“卡西尼”号的无线电仪器,该仪器能够发出异常清晰的信号,因为它在Ka波段工作,相对来说不受星际等离子体噪音的干扰。通过监测信号的波动,研究小组计划在该探测器于1997年开始的土星之旅中寻找宇宙引力波,并测试广义相对论。Iess的研究小组在2011年发射的“朱诺”号探测器上也安装了类似的设备,但这次的目标是研究木星内部。

“朱诺”号每隔53天就会近距离掠过木星表面,每次经过木星表面时,隐藏在木星内部的引力都会对探测器施加1分钟的牵引,导致其无线电信号产生微小的多普勒频移。Iess和他的团队起初认为,由于土星光环的引力影响,测量这些频移是不可行的。但是这个障碍在10年前消失了,这是因为“卡西尼”号团队决定结束这项任务,并将探测器送上一系列名为“终场演奏”的轨道。这些轨道位于土星环之下,从而消除了光环的影响。因此,Iess和他的同事可以利用无线电波动绘制这两颗行星的引力场形状,进而推断出这两颗行星内部物质的密度和运动情况。

其中一个目标是探测将气态巨行星上的云“抽打”成不同水平条带的强风根源。科学家认为,这些风要么是像地球上的风那样的浅层风,要么是非常深的风,它们穿透数万公里进入行星。在那里,极端的压力会将电子从氢中剥离出来,使其变成类似金属的导体。对木星来说,最终的结果是一个谜:时速500公里的风并不浅,但它们只到达这颗行星3000公里深处,约为其半径的4%。而土星则带来了一个不一样的谜团:尽管它的体积较小,但它表面的风最高时速达到1800公里,深度则是前者的3倍,至少达到9000公里。“每个人都大吃一惊。”Iess说。

科学家认为这两项发现的原因在于行星的深层磁场。在大约10万倍于地球大气的压力下——远低于产生金属氢的压力,氢会部分电离,变成一个半导体。这使得磁场可以控制物质的运动,防止其穿过磁场线。以色列雷霍沃特市魏茨曼科学研究所行星科学家Yohai Kaspi曾与Iess合作,他说,“磁场冻结了流体”,从而使行星变得坚硬。木星的质量是土星的3倍,这就导致了大气压力的快速增加——大约是土星的3倍。“这基本上是相同的结果”,Kaspi说,但是刚性在较浅的深度就会出现。

“朱诺”号和“卡西尼”号的数据只能提供有关更大深度的微弱线索。科学家曾经认为,这些气态巨行星的形成与地球非常相似,它们在从原行星盘吸走气体之前就已经形成了一个岩石内核。这样一个宏大的过程可能会产生不同的层,包括一个富含重元素的离散核心。但是“朱诺”号的测量结果通过模型解释后表明,木星的核心只有一个模糊的边界,它的重元素在其半径的一半以内逐渐减少。德国罗斯托克大学行星科学家Nadine Nettelmann表示,这意味着木星可能从一开始就是由蒸发的岩石和气体形成的,而不是先形成岩石内核,再加入气体。

而有关土星的情况仍不明朗。“卡西尼”号的数据显示,其核心质量可能是地球的15到18倍,重元素的浓度可能高于木星,这表明它可能有一个更清晰的边界。但帕萨迪纳市加州理工学院行星科学家、“朱诺”号共同研究者David Stevenson说,这种解释是暂时的。Iess说,更重要的是,“卡西尼”号受到土星深处某种无法用风解释的东西的牵引。“我们称之为土星引力的黑暗面。”Stevenson补充说,无论是什么原因导致了这种引力,它都是在木星上未曾发现的。“这是一个重大的结果。我想我们还没想明白。”

加州大学圣克鲁兹分校行星科学家Chris Mankovich说,由于“卡西尼”号项目以“终场演奏”而告终(该探测器最终在土星大气中焚毁殆尽),“短期内不会有更好的测量方法”。但是,尽管这些光环使引力测量变得复杂,它们也提供了一个机会。由于某种未知的原因——也许是风,也许是其许多卫星的引力,土星在振动。这些振荡的引力作用使其光环的形状扭曲成星系螺旋臂的形状。其结果是一个振动的可见记录,就像地震仪上的痕迹,科学家可以通过破译这些记录探测该行星。Mankovich说,很明显,其中一些振动到达了土星的内部深处,并且他已经用“环形地震学”估算土星内部的旋转速度。(赵熙熙

相关论文信息:DOI:10.1126/science.aaw6993

《中国科学报》 (2019-01-22 第2版 国际)
 
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