长久以来,教科书上白纸黑字地写着:木星大气中那明亮的高层云,主要成分是冻结的氨冰颗粒。
然而2025年初,一个由天文爱好者和专业科研人员组成的团队,却动摇了这一被写入教科书的“常识”。
业余天文学家史蒂夫·希尔(Steve Hill)使用市售望远镜和传统光谱技术,竟捕捉到木星云层中一组异常的数据。
当这些数据与NASA朱诺号探测器、欧洲南方天文台甚大望远镜阵列的数据交叉验证后,一个令人震惊的事实浮出水面:木星云层的主要成分,可能根本不是氨冰 。
木星大气主要由氢和氦主宰,占比超过99%。其余微量成分——氨、甲烷、水蒸气及硫化物等。
虽然含量微小,却因其独特的物理与光学特性,在木星不同高度分层聚集,最终编织出这颗气态巨行星绚丽的云带外观。
希尔采用了一种经典却可靠的研究方法:光谱分析。通过望远镜搭载的滤镜,他重点监测了可见光谱中619纳米和647纳米两个关键波段。
这两个波长分别对应于甲烷和氨分子对光的强烈吸收带。由于木星大气中甲烷的丰度相对稳定且已较为了解,希尔将其吸收特征作为“气压标尺”。
根据吸收强度可推算云层不同深度的气压值。再将其与氨的吸收谱线对比,理论上就能精准绘制氨在木星全球的分布图。
按照经典模型,氨冰颗粒因密度和凝结点特性,应富集于气压约0.7巴(bar,木星大气压单位)的上层区域,这也是我们通常观测到的最明亮反光云顶所在。
然而希尔的分析结果却显示:氨的信号最强区域,竟下沉到了2-3巴的深度,那里的温度更高、气压远超理论预期。
这直接挑战了“木星可见云顶主要由氨冰构成”的核心理论框架。
这一发现并非孤例。希尔的数据迅速得到了来自欧洲南方天文台甚大望远镜阵列以及NASA朱诺探测器的观测结果的印证。
三方数据交叉验证,共同指向一个结论:我们肉眼和探测器“看到”的木星明亮云顶,其反射阳光的主体物质,极可能另有其物。
如果占据云层顶端的明亮反光物质并非氨冰,那它究竟是什么?科学家们正将目光投向几种更复杂、更奇异的候选物质。
在木星大气温度-压力剖面中,位于氨冰层下方存在一个适合氢硫化铵形成的区域。这种由氨(NH₃)和硫化氢(H₂S)在低温高压下结合形成的晶体化合物,同样具有反光能力。
希尔等人的发现——即氨信号富集于较深区域(2-3巴)——与此模型有吻合之处:氢硫化铵可能在上层云中占主导,而氨则下沉或作为其形成原料存在于下层。
另一备受关注的理论指向了光化学反应的产物。木星长期暴露于强烈的太阳紫外线辐射下,高层大气中的甲烷、氨等分子会发生复杂的光解和化学反应。
这一过程可能生成棕红色至暗棕色的碳氢化合物或杂环聚合物微粒,形成笼罩全球的“雾霾层”。
这种雾霾颗粒不仅具备反光能力,更能解释木星云带(尤其那些暗色带纹)的丰富色彩。
希尔观测到的“非氨反光主体”,可能就是这种光化学雾霾与悬浮的氨冰、水冰颗粒的混合物,而非纯氨冰。
木星高层大气中发生的剧烈光化学反应,很可能是导致纯氨晶体难以稳定存在于云顶的关键“隐形杀手”。
氨分子在木星高层大气中并非稳定存在。当富含氨的气团在上升过程中抵达云顶附近时,会暴露于强烈的太阳紫外辐射下。
氨分子(NH₃)极易被光解离,分解为氮气和氢气,或与其他自由基结合形成新化合物。这个过程会显著消耗云顶区域的纯氨含量。
这意味着,在木星大部分区域,纯氨冰晶体可能无法长期稳定存在于最上层云。
它们或许只能在天文学家:在诡异的木星云层中,发现了一些不可思议的怪东西局部强上升气流(对流)极猛烈、物质交换极快的小范围区域短暂出现——这些区域氨气被迅速抬升并凝结,来不及被阳光充分分解。
这解释了为何光谱中氨信号主要来自更深、更受保护的气层(2-3巴),而非理论预测的云顶(0.7巴)。
当我们凝视木星今日诡异的云层时,其背后隐藏的,可能是一段远比想象更狂野的成长史。
2025年6月发表的一项突破性研究,为木星的“童年”勾勒出一幅令人震撼的图景。
加州理工学院康斯坦丁·巴特金教授团队另辟蹊径,他们避开争议巨大的行星形成模型,转而分析木星两颗微小内卫星——木卫五(Amalthea)与木卫十四(Thebe)——的轨道特征。
这两颗卫星比著名的伽利略卫星更靠近木星,其轨道倾角与细微差异如同宇宙“考古记录仪”。
通过精密计算卫星轨道动力学与木星角动量守恒关系,团队得出惊人结论:约在太阳系第一批固体形成后的380万年,原始木星就已诞生。
其质量竟相当于2000个地球(现为1321个地球质量),是今天木星的近两倍!
更惊人的是,其磁场强度可能高达现今的50倍。
如此庞大的质量为何会减少?主流理论认为,早期木星形成于原行星盘气体仍充沛之时。
随着太阳被点燃,强烈的恒星风(T-Tauri phase)吹散了太阳系内残存的气体盘,导致年轻的木星无法维持其吸积的巨量气体外壳,质量大幅损失。
这一发现不仅印证了“核心吸积”巨行星形成理论,更表明木星曾以更庞大、更狂暴的形态,在太阳系早期扮演了引力“建筑师”的核心角色——其巨大引力塑造了行星轨道、引导了小行星带形成,甚至可能为地球抵挡了致命撞击。
木星云层的诡异远不止于成分之谜。近年来探测器捕捉到的诸多现象,继续挑战着人类的认知。
朱诺号近距离掠过时拍摄到一处位于漩涡中心的深黑云洞。其黑暗暗示其可能穿透至异常深的大气层。周围环绕的复杂涡旋与高亮云顶形成诡异对比,成因至今未明。
朱诺号曾在木星南温带记录下一片形似海豚的云层。此类现象虽本质是流体运动的偶然巧合,却生动展现了木星云层变幻莫测、湍流遍布的特性。
长期监测显示,木星最著名的标志——大红斑正不断缩小并变得更圆。从1979年旅行者号记录的约5.6万公里直径,缩减至今日约1.6万公里。
科学家预测,在未来10-20年内,这个肆虐了至少350年的超级风暴可能退化为“大红圈”,甚至完全消散。
有理论认为它可能是木星内部热量释放的“阀门”,若其消失,或许将有新的“出口”形成。
朱诺号传回的数据中,那些变幻的云旋——如幽灵般的海豚或深不见底的“深渊”——仍在混沌中诞生又消亡。
而大红斑,这个肆虐了至少三个半世纪的超级风暴,正以前所未有的速度缩小,或许在一代人之内就将成为“大粉回忆”。
木星的秘密并未穷尽,反而在每一次凝视中变得更加深邃。随着更多探测器升空和更精密模型的建立,这颗气态巨行星的诡异云层,终将为我们揭示太阳系诞生之初最狂暴的真相。