作者:倪思洁 来源:中国科学报 发布时间:2018/8/23 9:31:53
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想看透木星?似乎没那么容易

 

■本报记者 倪思洁

2011年8月,美国宇航局(NASA)发射了“朱诺号”木星探测器。去年夏天,“朱诺号”终于进入环绕木星的轨道。

朱诺,是罗马神话中天神朱庇特的妻子。朱庇特施展法力用云雾遮住自己,但是朱诺却能看透这些云雾,了解朱庇特的真面目。探测器取名“朱诺号”,也是想借用其寓意,解开木星这颗云遮雾绕的气态巨行星隐藏的秘密。

不过,最近一篇发表于美国《国家科学院院刊》的论文批评了今年3月发表在《自然》杂志上的一篇论文。后者认为木星大气层有3000公里,而前者认为这还不能成为定论。

想看透木星,似乎没那么容易。

为解决历史争议 “朱诺号”出发了

透过望远镜看过木星的人,都会对木星表面美丽的条纹结构感到惊叹。其实,这份美丽来得十分“猛烈”。横扫木星的大气环流持久而强劲,风速比地球上可将大树连根拔起的十级风还要猛烈5倍。

她的美丽为何这么猛烈?美丽的外表下又掩藏着什么?探索云雾下的面孔,是人类的好奇,也是“朱诺号”的使命。

早在“朱诺号”诞生之前,天文学家关于木星的内部结构便争论不休。一些人认为木星的大气层非常厚,另一些则认为木星的大气层像地球一样只有薄薄的一层。为了给这一争议画上句号,“朱诺号”出发了。

“木星表面的风暴受到底层大气环流的影响。要了解表面风暴的形成原因,就要了解深部的大气环流情况。”中科院国家天文台研究员郑永春说。

可是,木星内部和深部的情况,是无法通过对木星表面的遥感探测看到的。聪明的科学家想到了用探测器的飞行轨道数据,获得木星的引力场数据,从而寻找木星大气环流的影响因素。

“‘朱诺号’在木星上空飞行的时候,会受到木星引力的牵引。如果内部的密度高、引力大,航天器的轨道就会降低一点;如果内部的密度低、引力小,航天器轨道就会抬升一点。”郑永春说。

有了这些数据,科学家直接把数据放入已经预先研究好的反演方程里,就万事大吉了,可是……

数据有了 但问题并没有解决

如今,“朱诺号”环绕木星飞了近一年,数据也传回来不少。可是,关于新的研究成果,科学家们又起了争议。

今年3月,《自然》杂志发表了“朱诺号”飞船科学组成员、以色列魏茨曼科学研究所研究员Yohai Kaspi等人对木星大气环流结构的建模反演成果。他们认为,木星的大气环流可以深入其表面以下3000公里左右,约占木星质量的百分之一。

“相比之下,地球的大气层还不到地球总质量的百万分之一。木星有如此巨大的区域在不同的东西波段旋转,这是一个惊喜。”Kaspi曾表示。

如果无误,这一结果确实是一个巨大的惊喜,因为它表明木星的气象层比之前猜测的要深得多。而这也直接表明“朱诺号”解决了历史上关于木星结构的争议。

可是,这个结果引来了新的争议。

“这项研究提出的环流模型缺乏数学物理意义,采用的反演途径不符合流体力学原理,所得结论的可靠性和科学性存在显著的缺陷。”中科院上海天文台行星物理与磁流体力学课题组研究员孔大力说。

孔大力和英国埃克塞特大学教授张可可等科学家担心,关于“3000公里”的研究定论很可能会直接误导人们对木星的认识,并影响此后以该结论为依据的科研工作。 于是,最近他们在美国《国家科学院院刊》上发表论文,指出了Kaspi等人的观点与方法存在的问题,并强调“朱诺号”并没有解决关于木星环流结构的谜题。

谁的方程更合理

“这个结果并不新,也不令人惊讶。”看到美国《国家科学院院刊》上的论文后,Kaspi在接受《中国科学报》记者采访时说,他的团队和新论文团队之间的争议,已经持续了3年。

这3年来,双方争议的焦点之一是一个名为“热成风方程”(TWE)的反演模型。

这个方程表示的是流体的运动和密度变化之间的联系。与岩石行星地球不同,木星是气态行星,引力与流体的运动和密度之间存在联系。正因如此,“热成风方程”成为从木星引力场数据反演木星内部结构的一把钥匙。

“‘热成风方程’原本是用于研究地球大气运动的一个流体力学模型。由于地球大气只有薄薄的一层,方程中忽略了大气本身的自引力,而木星是气态行星,大气本身的引力不能忽略,所以不能把热成风方程直接用在木星上。”孔大力说。

2015年,张可可、孔大力等人就曾在《天体物理学杂志》上发表论文,提出了“热量—引力成风方程(TGWE),并认为“必须使用这个方程估算大型气态行星中大气环流的密度扰动”。

然而,Kaspi告诉记者:“并没有所谓的‘热量—引力成风方程’,这只是张可可等人发明出以示与我们不同的东西。”

他表示,他们之所以不使用热量—引力成风方程,是因为完整的热成风方程需要在现用方程的基础上增加5个术语,而热量—引力成风方程只在热成风方程基础上增加了5个术语中的一个,所以并不准确。

各说各理 接下来该怎么办

对于这项争议,郑永春在接受《中国科学报》采访时表示,一方认为自己提出的模型可以解释木星的引力场和环流运动,另一方觉得模型还不够好,需要完善,这一情况在科研领域其实并不偶然。

“在科学发展的过程中,对观测到的事实,科学家会先提出一个理论模型来解释。但随着观测越来越全面深入,这个理论模型会受到很多条件的约束,需要不断完善理论模型,或是推翻。理论模型是否可靠,取决于我们可以得到什么样的证据来支持、完善或推翻这个模型。”郑永春说。

他表示,目前的争议与“朱诺号”探测精度仍然不够高有关。“将来可以用一种新型的探测技术,得到更精细的木星引力场。引力场的数据越准确,关于木星内部环流的理论模型就越可能接近真实情况,对木星风暴的形成原因的理解就越准确。”郑永春说。

相关论文信息:doi:10.1038/nature25793;

doi: 10.1073/pnas.1805927115;

doi: 10.1088/0004-637X/806/2/270

《中国科学报》 (2018-08-23 第4版 综合)
 
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