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NASA科学家是如何在木星大红斑中发现水的?

时间:2018-09-22 16:07:27  来源:本站  作者:

 

  在这张红外波段的图片中大红斑是颜色较深的那块区域。它之所以呈深色是因为那儿厚厚的云层遮挡了里面的热辐射。图中黄色线条所指示的为天体物理学家Gordon L. Bjoraker在他的研究中用到的部分。

  几个世纪以来科学家一直在试图理解木星的组成成分。这样的执着理所当然:木星是我们太阳系中最大的行星,并且它的化学组成也与太阳最接近。更好地了解木星对于研究太阳系,甚至是其他恒星系统的形成至关重要。

  有一个关键问题已经困扰了几代天文学家,那就是木星大气层深处到底有没有水?如果有,有多少?

  NASA戈达德太空飞行中心的天体物理学家Gordon L. Bjoraker在最近发表的研究论文中表明,他和他的团队找到了问题的答案。

  通过使用地基望远镜大红斑热辐射的波段进行观测后,研究团队在木星最深的云层上方发现了水的化学迹象。基于对木星中含氧分子的测量和对水压强的测量,研究团队认为木星比太阳多出2至9倍的氧元素。这项发现符合这样一种理论:木星上的水是由氧原子和氢气分子组合而成的。

  由于研究团队的实验很容易失败,这一发现是非常令人震惊的。大红斑有着厚重的云层,这使得其中的电磁能难以逃脱,因此天文学家很难了解到其化学组成。

  “让我们感到意外惊喜的是,事实证明大红斑中的云层并没有厚重到让我们看不清其深处的地步”,Bjoraker说。

  最前沿的光谱技术让研究团队能一窥木星深达数千公里的大气层。Bjoraker和他的团队收集到的信息将会作为朱诺号收集的信息的补充。事实上,朱诺号自己也正在用它搭载的红外光谱仪和微波辐射计寻找木星中水的存在,并且它所拥有的微波辐射计可以探测至木星表面下100巴压强(也就是地球表面大气压强的100倍)的深度。由于木星没有一个像地球一样的固态表面,所以在木星上“海拔”是用大气压强来表示的。

  戈达德的行星大气学家Amy Simon表示,如果朱诺号也发现了水的迹象,这将为我们开辟一条新的研究方向。

  “如果使用地基望远镜真的有用,那我们或许可以将它运用到其他地方,比如土星,天王星,或是海王星。在这些没有探测器环绕的行星上,这项技术会变得非常有用”,Amy说。

  水是一种非常重要的分子。它孕育出了地球上的生命,并且还推动着很多重要工序的发展,比如天气。不仅在地球上,水在木星上对其混乱的天气也起着至关重要的作用,同时它也能帮助决定木星的核到底是岩石还是冰。

  木星是第一颗由太阳形成后剩余的气体聚集而成的行星。十几年前的理论认为,木星的组成是与太阳完全相同的:它是一个混杂着少量氦的氢气球,没有固态的核心。

  但是越来越多的证据表明木星其实是有固态的核心的,它的质量大约是地球的十倍。曾到访过木星的探测器发现,木星在从原气体盘中吸收气体形成大气前已经形成了一个由岩石和冰组成的核。木星的引力牵引朱诺号的方式也支持这一理论。在木星上甚至还有电闪雷鸣,这一现象通常都是由水分引起的。

  “木星的卫星大部分都是水冰,所以周围整个环境都充满了水”,Bjoraker说,“那为什么木星强大的引力不能吸引大量的水呢?”

  有关水的问题经常让行星科学家难堪,几乎每次有关水存在的证据出现后不久,总会又发生些什么事情而将其推翻。研究木星的专家最喜欢的一个例子是NASA的伽利略号探测器。它曾在1995年向木星大气层投放了一个小型探测器,但不巧正好落到了一片异常干燥的区域。“这就好比向地球发送一个探测器,但正好落到了撒哈拉沙漠,然后得出结论说地球没有水一样”,Bjovaker解释道。

  B joraker和他的团队使用了夏威夷天文台的凯克望远镜来收集辐射数据,这是当今最为灵敏的红外望远镜,他们还用了NASA红外望远镜上的新仪器来探测更多种类的气体。

  科学家的思路是通过测量透过云层的光强鉴别云层的高度,这可以帮助科学家知道这些云层所在地区的温度以及其他特征,它们可能会影响这个区域的气体组成。

  行星科学科学家认为木星上空有三层大气:最下面的一层是由冰和液态水组成的,中间层是由氨和硫组成的,最高层是由氨组成的。

  为了用地面观测手段确认这一点,Bjoraker的团队选择了多数气体不吸热的红外波段,这样可以使气体的化学信息更好地显露出来。特别地,他们分析了甲烷气体的吸收线。由于木星的温度很高,甲烷气体是不可能在木星表面被冻住的,因此甲烷在木星各地的丰度不会发生改变。

  “因此如果你看到甲烷的吸收线强度内外不一致,这并不是因为甲烷在内外分布不均,而是因为此处有更深更厚的云层挡住了内部的红外辐射。”Bjoraker说。

  Bjoraker的团队在木星的大红斑处发现了木星大气分三层的证据,支持了之前提出的模型。最深的云层压强可达到5巴(500KPa),正好能够达到水的冰点。“所以我们认为木星很有可能发现由水组成的云层。”Bjoraker说。水云的位置以及科学家在木星上发现的大量一氧化碳,说明木星上富含氧元素,也就是说富含水。

  Bjoraker的技术需要在木星的其他地方进行证实,以求获得木星全球的水量分布。他的数据和朱诺号的发现是相符的。

  木星的水的丰度可以告诉我们巨行星是如何演化的,只要我们弄明白这颗行星上究竟储藏着多少水,JPL的朱诺号项目科学家Steven M. Levin说。

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