木星几乎完全由氢和氦组成。每个粒子的数量都与原始太阳星云中的理论量非常接近。
但它也含有其他更重的元素,天文学家称之为“金属”。尽管金属只占木星的一小部分,但它们的存在和分布却能告诉天文学家很多信息。
根据一项新的研究,木星的金属含量和分布意味着它在年轻时吞噬了很多岩石星子。(译者注:星子一般称为微行星,被认为是存在于原行星盘和残骸盘内的固态物体。由气体和凝聚尘埃组成的太阳星云,经气体动力学相互作用把尘埃集中到太阳赤道面的薄云盘中。这一云盘重力不稳定,塌缩破裂,在云盘不同区域聚集众多化学成分不同的尘粒团簇。太阳系行星和卫星表面的撞击坑分布,可以直接证明在太阳系形成早期有众多的星子存在。)
自从2016年7月,美国宇航局的“朱诺号”探测器抵达木星并开始收集详细数据以来,它一直在改变我们对木星形成和演化的认识。
这次任务的特色之一就是重力科学仪器。它在朱诺号和地球上的深空网络之间来回发送无线电信号。这个过程可以测量木星的引力场,并告诉研究人员更多关于木星的物质组成的信息。
当木星形成时,它开始吸积岩石物质。随后,太阳星云的气体迅速吸积,数百万年后,木星就演变成了今天的庞然大物。
但关于岩石增生的初始阶段有一个重要的问题。它是否吸积了像星子一样的大块岩石?或者是它吸积了鹅卵石大小的物质?
一项发表在《天文学与天体物理学》杂志上的新研究试图回答这个问题。第一作者是莱顿天文台和荷兰空间研究所的天体物理学助理教授亚米拉·米格尔。
多亏了“朱诺号”探测器的“朱诺相机”,我们已经习惯了木星的美丽照片。但我们看到的只是表面。所有这些令人着迷的云和风暴的图像只是地球大气层最外层50公里的薄层。
木星形成和演化的关键就埋藏在几万公里深的大气层中。
人们普遍认为木星是太阳系中最古老的行星。但科学家想知道它的形成需要多长时间。这篇论文的作者想通过朱诺的重力科学实验来探测火星大气层中的金属。
这些岩石颗粒在木星大气层中的存在和分布,对人们了解木星的形成过程中发挥着核心作用,重力科学实验则测量了卵石在大气中的分散情况。而在此之前,没有关于木星重力谐波的精确数据。
研究人员发现,木星的大气层并不像之前认为的那样均匀。星球中心附近的金属比其他层要多。这些金属加起来有11到30个地球的质量。
有了这些数据,该团队构建了木星内部动态的模型。他们写道:“在这篇论文中,我们收集了迄今为止最全面、最多样化的木星内部模型,并使用它来研究地球外壳中重金属元素的分布。”
该团队创建了两套模型。第一套是三层模型,第二套是稀释核心模型。
“像木星这样的气体巨星在形成过程中有两种获取金属物质的机制:通过小的岩石颗粒或更大的星子的吸积。”主要作者米格尔说。
“我们知道,一旦一颗初生行星足够大,它就会开始产生岩石颗粒。我们现在看到的木星内部金属物质的丰富程度在那之前是不可能达到的。所以我们可以排除在木星形成过程中只有岩石颗粒作为固体的情况,星子一定也发挥了作用。”
木星内部的金属含量随着距离中心的距离变远而减少,这意味着木星深层大气缺乏对流。
米格尔说:“早些时候,我们认为木星有对流,就像沸水一样,使其完全混合。但我们的发现显示出了不同的结果。”
作者在他们的论文中写道:“我们能够证明,在木星的包膜中,重元素的丰度并不是均匀的。我们的结果表明,木星继续吸积大量的重元素,同时它的氢氦包层在增长,这与基于最简单的卵石隔离质量的预测相反,它倾向于基于星子或更复杂的混合模型。”
作者还得出结论,木星在形成后并没有通过对流混合,即使在它仍然年轻和炎热的时候。
该团队的研究结果也延伸到气态系外行星金属丰度的研究。“我们的研究结果为系外行星提供了一个基本的参考。”
科学家们没有办法从木星远处测定它的金属丰度。只有当“朱诺号”到达木星后,科学家们才能间接测量金属丰度。“因此,从系外行星的远程大气观测推断出的金属丰度可能不能代表该行星的总体金属丰度。”
詹姆斯·韦伯太空望远镜的任务之一就是测量系外行星的大气并确定它们的组成。但韦伯望远镜提供的数据可能也无法捕捉到巨型气体行星的深层发生了什么。
(科幻世界 独家编译)
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