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木星放热之谜困扰科学家数十年,如今有望破解,答案或与极光有关

在宇宙天体中,最常见的就是恒星和行星。这两种天体最大的区别,就在于能否进行核聚变反应。

对于恒星来说,它们拥有核聚变的原料氢,同时核心处巨大的压力和温度也满足条件,从而进行核聚变反应,向宇宙空间释放光和热。而行星不一样,虽然除了地球这样的岩石行星外也有木星这样的气体巨星,由氢和氦组成,成分与恒星类似,但是它们不能提供足够的反应条件,所以核心的氢始终无法“点燃”。

因此,从理论上说,这些行星的温度,主要就要靠恒星的加热。

这个理论一直被科学家认可,但偏偏事实不尽如人意。当科学家真正去研究气体行星的时候,发现问题并没有那么简单。

在人类发射探测器去探索这些气体行星以前,科学家根据它们的轨道、本身的属性等因素,计算了它们的理论温度。可是,随着旅行者1号、旅行者2号等探测器飞出小行星带,分别造访木星、土星、天王星和海王星的时候,对它们进行的温度测量出现了诡异之处:它们全都比理论值要高!

以木星为例,根据它实际的温度和能接收到的太阳辐射来计算,科学家发现:它释放的能量是接收到太阳能量的2倍以上。也就是说,木星在放热!

可是,理论上来说,木星并不能进行核聚变啊!那么,木星释放的能量从哪里来呢?

当然,很多人对于木星是行星的身份有些不满,试图将它归类到褐矮星,并以此为证据。虽然这个说法基本不可能成立,但是科学家也必须拿出理由,找到热源,才能真正推倒这个理论。

随着科学家对木星探索的深入,他们发现木星大红斑上空的温度比其他区域要高。因此,他们推断,或许是木星大红斑在释放热量,提升了木星的温度。而大红斑所释放的热量,来自于木星核心。只不过,这里木星核心提供的热量并不是核聚变产生的,而是氢离子在极高温度和压力下的运动所带来的。

这个说法看似解决了木星热源的谜题,但其实并没有。因为除了木星以外,其他三颗气体行星,也都有各自的热源。科学家理论推导出的土星高层大气的温度,大约是150K。而旅行者号探测器测量的数据显示,那里的温度甚至高达400~600K(注意,这不是我们通常说的土星表面温度)。而这个情况,在木星和海王星表面还要更夸张。

如果说木星的热源是大红斑,其他气体行星并没有这种风暴,它们的热源在哪呢?不论从哪个角度来说,我们都有理由认为是气体行星共同的某个特征所导致的。

于是,这个谜题成为了天文学上的一桩悬案,始终无人能解。在天文学上,这叫做气体行星的“能源危机(energy crisis)”。

最近,NASA的科学家在土星上找到了一些蛛丝马迹,或可解开这个谜题。

NASA的依据,来自于已经坠毁的土星探测器——卡西尼号探测器。卡西尼号在坠入土星之前,曾发回来大量的信息,其中有一些直到现在仍然在处理中。

4月6日,《自然天文学》上发表了一篇亚利桑那大学图森分校的行星科学家Zarah Brown及其同事的报告,在报告中,Zarah Brown指出,气体行星能源危机的答案,或许就来自于卡西尼号探测器。

2017年9月,NASA的卡西尼号探测器在即将完成使命之前,调整了自己的轨道,义无反顾地冲向土星大气层,用自己壮烈的死亡,为人类作出最后的贡献。在螺旋公转着坠入土星大气层的过程中,卡西尼号探测器通过观察背景中的恒星来探测这颗行星的高层大气。通过观测不同位置上空可见的星星数量,就可以推测这片大气的空气密度。

Zarah Brown等人一共在卡西尼号探测器传回的数据中采了30个样本,绘制了一个粗略的土星大气密度地图。我们知道,气体的密度和温度是直接相关的,因此,这也是一张土星高层大气温度分布图。

这张温度分布图显示了一个“巧合”:不论是南半球还是北半球,土星高层大气温度最高的位置都在60°的纬度附近。说是巧合,但科学家们相信,这其中肯定有原因。

同样的,想找“原因”,就继续找“巧合”。这个“巧合”很容易找到,那就是,南纬60°和北纬60°,都是土星上极光最常出现的位置。那么,土星高层大气的异常高温,是否和极光有关呢?

科学家指出:极光的本质,就是太阳辐射和行星大气层的粒子发生碰撞、导致行星气体分子被电离而发的光。如果单纯地讨论极光,其实是几乎不发热的。不过,由于气体被电离,所以就会产生电流。中学物理告诉我们,只要有电阻和电流,就会产热。你可能还记得那个公式:Q=I^2*RT。

也就是说,极光产生的电流在土星的大气中传导,于是产生了热量。

你可能会问:地球上也有极光,怎么没见地球被加热?

在这篇报告中他们指出:土星和地球的极光有一点不同,前者的极光主要是在紫外光中发光,这或许就是两颗行星上极光的不同,所以一个有产热的效果,另一个没有。

看起来,他们的这个分析有理有据,似乎可以解开气体行星能量危机的谜题了。不过,在完全证实之前,他们仍然有很多工作要做——

  1. 印证猜想,确保这个猜测是正确的;

  2. 计算出极光放热的能力,看看是否足以让土星高空大气升温到现在的程度;如果不足,那么或许土星上还有其他热源;

  3. 对于木星、天王星和海王星来说,也要满足同样的理论。这就需要科学家们发射探测器去天王星和海王星附近实地观测才行,不过对于现在的人类来说,10年内能发射出这样的探测器就不错了,如果想探索这个问题,恐怕得差不多20年的时间。

如果在其他气体行星上这个猜想也成立,那么对于系外行星来说,应该也会有同样的状况。

当然,对于木星迷来说,这可能不是个好消息。很多木星迷还希望能够找到证据,说明木星能够进行核聚变,甚至期待它逆袭太阳的一天。不过,随着木星热源之谜接近破解,不论从理论上还是实际上,木星恐怕都没有能力和太阳叫板了……

人海茫茫,相遇不易。如果你对科学感兴趣,请别忘了关注我,我们不要走散,好吗~

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