科学家揭示土星木星内部惊人差异

通过使用来自行星探测器的无线电信号，研究人员能够穿透隐藏在木星和土星内部的旋涡云。在那里，巨大的压力将物质转化为地球上未知的形式。这项由意大利罗马大学的卢西亚诺·伊斯领导的研究，利用来自美国宇航局两个探测器(卡西尼号代表土星，朱诺号代表木星)的信号来探测这些气态巨行星内部深处的重力变化。

研究人员发现这是一个高风险的比较游戏。去年发表在《自然》杂志上的木星研究和上周发表在《科学》杂志上的土星研究表明，“这两颗行星比我们想象的要复杂得多。”“这些巨大的行星不是简单的氢和氦球体，”瑞士苏黎世大学的行星科学家拉维特·赫勒德说。

在20世纪80年代，国际空间站帮助开发了卡西尼号的无线电仪器，该仪器能够发出异常清晰的信号，因为它工作在Ka波段，相对来说不受星际等离子体噪音的影响。通过监测信号波动，研究小组计划在1997年开始的探测器土星之旅中搜寻宇宙引力波并测试广义相对论。社保局的研究小组在2011年发射的朱诺探测器上安装了类似的设备，但这次的目标是研究木星的内部。

朱诺每53天近距离经过木星表面。每当它经过木星表面时，隐藏在木星内部的重力会拉动探测器一分钟，导致其无线电信号产生轻微的多普勒频移。社保局和他的团队最初认为，由于土星环的重力影响，测量这些频率偏移是不可行的。然而，这个障碍在10年前就消失了，因为卡西尼小组决定结束任务，把探测器放入一系列被称为“最终性能”的轨道。这些轨道位于土星环下方，因此消除了环的影响。因此，Ises和他的同事可以利用无线电波绘制出两颗行星的引力场形状，然后推断出两颗行星内部物质的密度和运动。

其中一个目标是探测强风的来源，这种风将气态巨行星上的云“抽打”成不同的水平带。科学家认为这些风要么是像地球上的风一样的浅风，要么是深入地球数万公里的深风。在那里，极高的压力会将电子从氢中剥离出来，使它们变成类似金属的导体。对木星来说，最终的结果是一个谜:时速500公里的风并不浅，但它们只有3000公里深，大约是地球半径的4%。另一方面，土星带来了一个不同的神秘:尽管它很小，但它的表面风达到了每小时1800公里的最高速度，其深度是前者的三倍，至少达到了9000公里。"每个人都震惊了。"社保局说。

科学家认为这两个发现的原因在于地球的深层磁场。大约是地球大气压力的100，000倍——远低于产生金属氢的压力——氢将部分电离并变成半导体。这允许磁场控制物质的运动，并阻止它通过磁力线。以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的行星科学家约海·卡斯皮(Yohai Kaspi)曾在国际环境安全研究所工作，他说“磁场冻结了流体”，从而使地球变得坚硬。木星的质量是土星的三倍，这导致了大气压力的快速增加——大约是土星的三倍。“这基本上是相同的结果，”卡斯皮说，但刚性出现在较浅的深度。

朱诺和卡西尼号的数据只能提供更大深度的微弱线索。科学家们曾经认为这些气态巨行星的形成与地球非常相似，它们在从原始行星盘吸取气体之前已经形成了一个岩石核心。如此宏大的过程可能会产生不同的层面，包括富含重元素的离散核心。然而，朱诺的测量结果显示，木星的核心只有一个模糊的边界，其重元素在其半径的一半范围内逐渐减少。德国罗斯托克大学的行星科学家纳丁·内特尔曼说，这意味着木星可能从一开始就由汽化的岩石和气体形成，而不是在添加气体之前形成一个岩石核心。

土星的情况还不清楚。卡西尼号的数据显示，它的核心质量可能是地球的15到18倍，重元素的浓度可能高于木星，这表明它可能有一个更清晰的边界。但是帕萨迪纳加州理工学院的行星科学家、朱诺的合作研究员大卫·史提芬逊说，这个解释是暂时的。社保局说，更重要的是，卡西尼号是被土星内部深处的某种东西牵引的，这种东西无法用风来解释。"我们称之为土星引力的黑暗面."史蒂文森补充说，无论是什么引起了引力，它都不是在木星上发现的。“这是一个重大的结果。我想我们还没想明白。”

加州大学圣克鲁斯分校的行星科学家克里斯·曼科维奇(Chris Mankovich)表示，由于卡西尼项目以“最终性能”(探测器最终在土星大气中燃烧)而告终，“短期内不会有更好的测量方法”。然而，尽管这些环使重力测量变得复杂，它们也提供了一个机会。出于某种未知的原因——也许是风或它的许多卫星的重力——土星正在振动。这些振荡的重力将它们的环状扭曲成星系旋臂的形状。结果是振动的可见记录，就像地震仪上的痕迹一样，科学家可以通过破译来探测这个星球。曼科维奇说，很明显，一些振动到达了土星内部深处，他用“环形地震学”来估计土星内部的旋转速度。(赵茜·Xi)

相关论文信息:DOI:10.1126/science.aaw6993

《中国科学日报》(2019-022第二版国际版)