朱諾號新發現：親眼「看到」木星南北極的氣旋！

原標題：朱諾號新發現：親眼「看到」木星南北極的氣旋！

作者：灰原哀博士（haibaraemily）

編輯：明天

這是朱諾號探測器在木星南極「看到」的氣旋。絢麗奪目，也疑團重重。這樣壯觀的氣旋分布目前為止尚未在其他天體上觀測到過。

朱諾號在第4個探測周期，用近紅外成像光譜儀拍攝到的木星南極。顏色深淺對應著溫度差異，越紅表示溫度越低（多雲），越黃表示溫度越高（少雲）。圖片來源：NASA

自從2016年7月4日朱諾號探測器成功進入木星軌道，轉眼已經過去了一年半。如今的朱諾號正在進行它的第11個探測周期，並將於今年6月結束第一階段共計12個周期的探測。

2018年3月8日，《自然》雜誌一次發表了四篇論文[1-4]，介紹了朱諾號在前6個周期的探測中，向我們揭開了木星的哪些神秘面紗。

朱諾號和木星。圖片來源：NASA

為了能夠既盡量近距離地對木星進行觀測，又最大限度避開木星的高輻射帶對探測器的損害，朱諾號選擇了沿著木星南北向的軌道飛行，這使得朱諾號能夠正面觀測木星的南北極點，之前的旅行者號和伽利略號都沒有做到這點。

朱諾號的JunoCam相機在前三個周期的探測中就已經發現木星的南北極有大量看似非常凌亂的小型氣旋（大小在200-140km之間）[2]。這次加入了用於拍攝極光的近紅外成像光譜儀，獲取的近紅外影像讓科學家們驚訝地發現，木星南北極的氣旋也是「亂中有序」的，都有顯著且穩定的分布：

• 北極：八個極區氣旋環繞著一個極點氣旋，九個氣旋直徑都在4000 -4600 km之間；
• 南極：五個極區氣旋環繞著一個極點氣旋，直徑在5600-7000 km之間。

木星北極（上）和南極（下）區域近紅外波段下的氣旋分布。顏色越深表示溫度越低。圖片來源：NASA

放大看一下南北極氣旋的高清局部，南極點氣旋的中心非常奇特，其他氣旋中心都是圓的，但南極點這個氣旋的中心是一個眼睛的形狀，可以說是有點嚇人了……

木星北極（左，解析度18 km/像素）和南極（右，解析度25km/像素）的近紅外影像，是朱諾號在第4個觀測周期拍到的解析度最高的影像，圖中已經可見一些小型反氣旋結構。右圖藍框中就是這次發現的「南極之眼」。 圖片來源：參考文獻[1]

這是人類首次清楚地看到木星南北極的大氣結構，但這些氣旋的成因和維持方式還完全是個謎。比如，不管是北極的八角形分布還是南極的五角形分布，這些氣旋不僅自身的相對位置非常穩定，而且作為一個整體的移動都是非常緩慢的，這是為什麼？再比如，構成八角形和五角形的這些氣旋為什麼沒有合併？要知道，太陽系的另一顆氣態巨行星——土星的南北極點都只有一個大渦旋而已。當然，這些變化只是朱諾號在2-3個周期（每個周期53天）內觀測到的，100多天對於一個天體上的變化來說還是太短暫了，或許這些氣旋正在慢慢合併，只是時間尺度太大，難以被人類觀測到也是可能的。無論如何，這些都等待著科學家們的進一步解譯。

中低緯條帶：你以為我很「膚淺」，其實我有3000km深！

木星南北極的氣旋雖然炫目，但這次最大的科學發現來自於對木星重力場的探測。重力分布反映了一個天體內部質量分布，因此我們可以通過對重力信號的分析來推測一個天體的內部結構。

朱諾號探測器前6個周期的重力探測數據顯示，木星的重力擾動（可以理解為測量值和理論值的差異）表現出了顯著的南北（緯度）差異。

對於木星來說，如果大氣內部沒有不規則的動態變化，那它的重力場應當是南北半球對稱的（也應該是軸對稱的）。然而朱諾號的重力數據顯示出了明顯的不對稱性，科學家認為，這正是木星大氣層和內部風流動的結果[2]。

進一步的分析發現，隨著緯度的變化，木星重力場和風速的變化規律非常相似。科學家們推測，這是木星中低緯深淺相間的條帶和急流（jet stream）運動的結果，通過這些重力數據，可以反過來估算這些條帶的深度。

左：去掉了偶數階部分的木星重力加速度擾動的緯度分布，mGal是重力加速度的單位，1 mGal = 10-5 m/s2；右：風速隨緯度的變化率。從緯度分布來看，木星的重力加速度擾動和風速分布非常相似，兩者的最大峰值都位於緯度24°附近。圖片來源：參考文獻[2]

深淺交替的彩色條帶（以及大紅斑）可以說是木星低緯區域最典型的特徵了。通常我們把深褐色的條帶叫做帶（belt）而把淺色條帶叫做區（zone），深淺兩種條帶的運動方向和速度還不一樣。深淺條帶的邊緣穿梭著東西方向飛馳的急流。

木星表面的深淺條帶（帶和區）。急流分布在深淺條帶的邊緣。圖片來源：NASA | 翻譯：haibaraemily

這些深淺條帶看起來似乎是「漂浮」在木星表面上的薄薄一圈，但通過朱諾號的重力探測結果顯示，這些條帶非常深，像一條條的管道一樣深深埋進木星大氣層中，條帶之間的急流甚至可能深達雲層之下近3000 km。不過雖然這麼深，但這層「靈動飄逸」的大氣層質量只佔了木星總質量的1% [3]（其實也不少了，1/3個地球那麼重啊）。

朱諾號的重力數據解釋了木星深淺條帶一直延伸到雲層以下3000km深。來源：NASA | 翻譯：haibaraemily | 壓制：尞祡

木星的內部：綿軟的核，但保持剛體狀態緩慢自轉

重力場信號不僅可以反映大氣和風的運動，還可以反映天體內部更深層的結構。木星最深處到底有沒有固態內核？木星內部物質和外層大氣層（條帶結構和風）的自轉速度相同嗎？過去一些研究認為木星很可能只有一個小而緻密的內核（冰石混合物），甚至沒有固態內核[5]。科學家們對這些問題一直爭議不下，直到這次分析了朱諾號傳回的重力場信號。

朱諾號前3個觀測周期的重力場探測結果表明，木星小而緻密的內核外層可能有一個比過去預想要大得多的外核，兩者一共延伸了約0.3-0.5個木星半徑，但這個外核很可能不是緊緻的固態物質，而是重元素與金屬氫（富含氦）融合在一起的一種「綿軟而稀釋」的混合狀態物質，這被稱為「稀釋的核」(dilute core) [6]。

朱諾號重力數據推測的木星內部結構，整個木星核部分延伸了約0.3-0.5個木星半徑。圖片來源：參考文獻[6]

後3個觀測周期的重力探測印證了之前的結果——木星內核確實很可能有一層稀釋的混合層。不過雖然不都是固態，但深淺條帶以下的內部各層（核、金屬氫層、液態氫層等）都以近乎剛體的形式在自轉，速度比外層大氣慢多了——至少要慢一個數量級[4]。

更多精彩，拭目以待

雖然6個觀測周期已經給我們帶來了無盡的欣喜和驚訝，但對朱諾號來說，精彩還在繼續。今年4月1日，朱諾號將進入第12個觀測周期，這也是朱諾號任務計劃中的最後一個觀測周期。不過，由於朱諾號目前為止運轉良好，傳回的科學數據質量一直很高，科學家們已經在計劃讓朱諾號今年7月繼續下一輪拓展任務[7]。

遙遠、神秘而氣象磅礴的木星，接下來還會有哪些振奮人心的新發現？ 讓我們拭目以待。

木星雲層之上。這張圖拍攝於美國東部時間2017年12月16日，朱諾號距離木星雲層只有13345 km，略大於地球直徑，中心位置大約在木星北緯49.9度，解析度9.3 km/像素。因為角度不是對著北極點正上方，所以圖中沒有明顯的晨昏線交界（但右上角可以隱約看到一點暗色的陰影）。圖片來源：NASA

致謝

本文嚴肅認真地鳴謝漠北和尞祡對文章內容的提升和優化所提供的幫助。

作者名片

排版：曉嵐

參考文獻：

[1] Adriani, A. et al. (2018). Clusters of cyclones encircling Jupiter』s poles. Nature 555, 216–219.

[2] Iess, L. et al. (2018). Measurement of Jupiter』s asymmetric gravity field. Nature 555, 220–222.

[3] Kaspi, Y. et al. (2018). Jupiter』s atmospheric jet streams extend thousands of kilometres deep. Nature 555, 223–226.

[4] Guillot, T. et al. (2018). A suppression of differential rotation in Jupiter』s deep interior. Nature 555, 227–230.

[5] Guillot, T., Gautier, D., & Hubbard, W. B. (1997). New constraints on the composition of Jupiter from Galileo measurements and interior models. Icarus, 130(2), 534-539.

[6] Wahl, S. M., Hubbard, W. B., Militzer, B., Guillot, T., Miguel, Y., Movshovitz, N., ... & Levin, S. (2017). Comparing Jupiter interior structure models to Juno gravity measurements and the role of a dilute core. Geophysical Research Letters, 44, doi:10.1002/2017GL073160.

[7] https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-juno-mission-to-remain-in-current-orbit-at-jupiter

歡迎個人轉發到朋友圈

本文來自果殼網

轉載請聯繫授權: sns@guokr.com

投稿請聯繫scientificguokr@163.com

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！