木星是如何塑造太阳系的？

在某个行星赤道附近，一场比地球都要大的风暴肆虐。它周围较小的飓风本身也有行星大小。进入其中，你就会被水和恶臭的氨气轰击，下面是冰冷的液氢。再往下走到这个星球的中心，但你可能永远也无法到达它。因为你可能会被热死，也可能因为巨大的压力致死，但也可能因为一个确定的核心根本不存在。

这个奇怪的，疯狂的世界就是木星，它是太阳系中最大的行星，也许也是最重要的行星。它的运动决定了我们的行星邻居是如何形成的，甚至可能最终要对地球上的生命负责。它的卫星也是最高级的世界，包括太阳系中最大的卫星、火山活动最活跃的卫星，以及最有可能承载太阳系第二生命摇篮的卫星。

有足够的理由想获得更好的视野。在过去的三年里，一个由巨大的太阳帆驱动的小型旋转探测器让我们比以往任何时候都更仔细地观察木星，掠过木星的两极，潜入距其云顶仅5000公里的范围内。这项任务的第一个结果很漫长，它揭示了巨大的惊喜和我们仍然需要学习的东西。

木星的直径超过140，000公里，大约是地球直径的11倍，是太阳直径的十分之一。与围绕其他恒星运行的行星相比，这似乎也是不寻常的。虽然我们发现了许多更大的系外行星，但很少有这么大，而且离它们的恒星如此之远。

但是木星总是违反既定的规范。1610年，伽利略通过他新发明的望远镜发现了四颗环绕木星运行的卫星，这四颗卫星是第一批最终被证实围绕着地球以外的行星运行的天体。这打破了一个持续了2000多年的世界观，并使得伽利略与他那个时代的宗教权威陷入了许多困境。他们不知道的另一些事情是，据最新统计，木星有79颗卫星，比其他任何行星都多。但是四颗原始的“加利利”卫星-木卫一（伊奥）、木卫二（欧罗巴）、木卫三（盖尼米得）和木卫四（卡里斯托），仍然是令人叹为观止的。

木星显然是我们探索太阳系的一个目的地，它充满了欢乐和阴谋。上世纪70年代，在路过的探测器“先锋10号”、“先锋11号”和“旅行者1号”和“旅行者2号”的帮助下，它与地球发生了四次短暂的相遇。他们让我们第一次看到它旋转的气体，强大的磁场和微妙的环，以及更近距离地观察它最具标志性的特征-“大红斑”，这是一场至少自1830年以来就一直肆虐的巨大风暴。

木星标志性的大红斑风暴(右上)至少从1830年就开始肆虐了

1995年，美国国家航空航天局(NASA)的伽利略号(Galileo)，它是第一艘设计用于绕木星飞行的飞行器，在离开地球六年的旅程后抵达。在接下来的八年里，它让我们第一次亲眼目睹了这颗行星和它的卫星，包括它的四颗卫星。

就行星本身而言，最深刻的见解来自伽利略航天器于1995年12月7日坠入木星大气层的探测器。它的进入速度超过每小时17万公里，发送了57分钟的数据，检测到高达500公里/小时的风速，与地球上类似的风暴相比，没有闪电现象。并且有证据表明驱动大气动乱的能量来自其内部的热量上升。

但最大的发现是，木星的大气层中的水似乎比我们预期的少得多。伽利略号的观测可能是在一个特别干燥的地方进行的。科罗拉多大学博尔德分校的行星科学家弗兰·巴格纳尔说：“伽利略探测器时代末期的一个大问题是，这是局部缺水，还是全球性缺水。”

2003年，由于燃料不足，伽利略号探测器被送入木星大气层，燃烧殆尽。然而，自那时以来，我们认为它的起源和早期历史不仅对理解它，而且对更广泛的太阳系历史都具有重大意义。

关于木星，我们确实知道一件事：它是太阳系行星中的第一颗诞生的，而且出生时很小。大约46亿年前，一个巨大的尘埃云和气体云坍塌，形成了太阳。仅仅一百万年后，这片云的剩余物孕育了木星的诞生。在接下来的几百万年里，这个岩石核心变得越来越大，抓住了周围的气体，形成了我们今天所知的漩涡巨行星，主要由氢和氦组成。

但这可能不是故事的结尾。木星缺水并不是太阳系唯一的行星谜团。以火星为例：它很小，只有地球直径的一半多一点，它的轨道上本来应该有大量的行星建造材料。还有天王星和海王星，这两个离太阳最远的巨大冰行星。这里我们有一个相反的问题：它们不可能在它们现在的位置形成，因为那里根本没有足够的材料来使他们变得那么大。

我们能解释行星的大小和分布的唯一方法，就是它们是否在其他地方形成并迁移到它们现在的位置。要移动整个行星，你需要一些大的东西来对它们施加引力，比如木星。巴格纳尔说：“木星是早期太阳系中推挤物体并塑造我们现有形状的大质量物体。”

一种假设的模型认为，一旦木星生长超过一定的大小，与形成所有行星的尘埃和气体盘之间的摩擦就会增加，从而使其减速。这导致它落向太阳，落向火星现在所在的地方，它巨大的引力席卷了行星建筑材料。木星本身是从一个大灾难中被拯救出来的，那是因为形成稍晚一些的土星，而土星是太阳系的第二个形成的行星，只比木星略小一点的行星：它的引力越来越大，将木星从边缘拉回来。

“木星的早期历史对更广泛的太阳系来说是非常重要的”

木星的引力将行星建筑材料扫出轨道是我们对火星为什么会如此之小的最好猜测。为了解释天王星和海王星，我们需要第二个假设。它被称为尼斯模型，以2005年开发团队所在的法国城市命名。报告说，这些冰巨人可能比现在离太阳至少近25%，靠近土星目前的轨道。柯伊伯带是冥王星居住的一个由冰矮行星和彗星组成的区域，当时可能距离海王星更近，大约是海王星现在的位置。

但大约40亿年前，木星强大的引力破坏了冰巨行星的轨道，将它们向外推。这个模型除了解释天王星和海王星外，这个模型还有很多东西要做。这些行星的运动反过来又将柯伊伯带的岩石抛回木星，其中许多岩石围绕着这个充满气体的庞然大物旋转，并再次被弹射回远远超出它们原来的位置。这是我们对奥尔特云的最好解释，奥尔特云是一座被认为环绕着太阳系的岩石库，孤独的彗星旅行者偶尔会从那里到达我们这里。

其他向内抛掷的岩石，以及复杂的化学物质和水，可能滞留在太阳系内部，这或许解释了像地球这样的行星在最初形成的环境可能太热的时候是如何获得水的。巴格纳尔说：“木星可能把水踢进了太阳系内部，形成了我们。”如果是这样的话，我们或许可以把我们所知道的生命归功于这个气体巨星。

“我们仍然不能确定你在木星中心的旅行中会遇到什么”

2011年，我们向这个太阳系巨人发起了第二次任务。美国宇航局的“朱诺号（Juno）”探测器-木星近极轨道飞行器（Jupiter Near-polar Orbiter）的简称。该探测器于当年8月5日发射升空，并于五年后（即2016年7月5日）进入了木星周围的轨道。

它的仪器包括以光学、红外、紫外线和微波波长拍摄地球照片的相机，从而更好地确定其大气层的组成、水的存在和位置，以及测量其磁场和引力场的设备，从而提供对地表下正在发生的情况的了解。三块太阳能电池板从中央模块向外辐射，为其供电。这是有史以来最大的一个行星际空间探测器，有20米的总翼展。

按照计划，朱诺号将在2021年年中之前在木星两极上空盘旋。它的32个轨道相对于行星表面将有轻微的螺旋运动，而探测器本身也在不断地翻滚，以使它能够从尽可能多的角度对行星进行尽可能多的测量。它已经提出了令人惊讶的问题。第一张木星两极的照片显示，那里有奇怪的气旋，北方有9个，中间有8个绕着一个圆，南方有6个类似的形状。为什么这些风暴形成这样奇怪的，有组织的环？巴赫纳尔说：“好问题，但我们还不知道。”朱诺号的测量显示，这场风暴的根延伸到300多公里深的大气中，是地球海洋平均深度的80倍。

相对而言，这算不了什么。一些风暴的根源似乎向下延伸了约3000公里，进入了这个巨大的气体中，形成旋转的彩色条带的急流似乎就是在那里形成的。

1979年被旅行者1号捕捉到，图中左下方木卫二欧罗巴穿过木星，右上方有木卫一伊奥的阴影

然而，在这些秘密的背后，真正的奥秘仍有待揭晓。伽利略的测量使我们相信木星的内部是整齐地分层排列的。液态氢的浅层“地壳”位于液态金属氢的更深一层之上，这层液态金属氢是当氢受到高达地球海平面大气压力数百万倍的强压力以及数千度的温度时形成。巴格纳尔说，这种物质可能会像液态金属水银一样闪闪发光，而较重的元素会溶入其中。

所有这些都覆盖在大约70，000公里以下的一个小核心上。朱诺号最初的引力测量令人怀疑它是否会是固体，然而，它指向了一个模糊的核心，它与上面的金属氢混合在一起。但是我们仍然不能确定你在木星中心的旅行中会遇到什么。巴格纳尔说：“它会不会变得更密集，或者你最终会找到一个你可以在上面行走或游泳的表面？我们还无法得知。但我们知道，你一进去，情况就会变得很糟糕。”

只有当朱诺号完成了轨道任务，并且我们查看了完整的数据集之后，我们才有希望收集到更多的见解。除此之外，计划中的以欧罗巴及其可能蕴藏生命的内部海洋为中心的飞行任务可能会提供更多的线索。这是一次巨大的发现之旅。我们正在学到很多关于木星如何工作的知识，但它提出了更多的问题。