木星的美丽不仅仅是表面现象。
这是来自朱诺号的最新结果，该航天器自 2016 年以来一直在该气态巨行星的轨道上运行。除了它的大红斑，木星最引人注目的特征是其明暗云交替的经向带。这些带被认为与行星本身一样古老，它们由以相反方向围绕该天体高速旋转的风雕刻而成，构成了木星向外界展示的“面孔”。但是，下面是什么？这些风带延伸到多深，它们与行星氢和氦的稠密内部有什么联系？
如果你在过去半个世纪里问一位专家，你可能会听到两种普遍的可能性：要么风从云顶向下延伸 10,000 公里，并由来自那些深度的热量驱动，要么它们非常浅，仅限于木星大气层的顶部几百公里。直到现在，没有人确切知道。
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“答案都不是，”加州理工学院的行星科学家大卫·史蒂文森说，他是研究行星内部的朱诺团队的负责人。在周三发表在《自然》杂志上的一组三篇论文中，史蒂文森和合作者分析了朱诺号对木星引力场的新测量结果，揭示了一个更为微妙的情况：风向下延伸约 3,000 公里（约占行星半径的二十分之一），不会更深。在该边界处，大气压力比地球表面高 100,000 倍，会从行星的氢中剥离质子和电子。这些带电粒子会与木星强大的磁场发生拖曳，从而抑制风。更深处的一切都像固体一样，但一直保持流体状态，直到到达行星神秘的核心。“这很重要，”史蒂文森说，“因为它有助于我们了解行星的运作方式。”
这对于了解更多信息至关重要：木星很可能是围绕太阳形成的第一个行星，因此其内部运作——尤其是其核心的性质以及热量如何从行星深渊中渗出——可能为我们提供有关其他行星如何形成的线索，无论是在我们的太阳系中还是在其他恒星周围。“自从我出生之前，人们一直在争论这个问题，”加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的行星科学家乔纳森·福特尼说，他为这些论文撰写了一篇附带评论。“但是在朱诺号之前，没有任何数据集能够回答这个问题。”
设置行星际测速陷阱
为了看到木星的云层之下并研究其风，朱诺团队精确地测量了该行星的引力场。该技术的基本原理很简单：当木星围绕其轴旋转时，由此产生的力应该会在行星赤道周围产生一个轻微的、完全对称的隆起。任何不对称都将是复杂内部结构的明显标志，例如行星大气层深处的大量物质流动。朱诺号没有携带任何能够直接测量这种不对称的仪器，但它们应该会在航天器在围绕行星的 53 天极地轨道上移动时，表现为航天器运动的细微变化。
该团队使用美国宇航局深空网络的大型天线，该天线调谐到意大利航天局在朱诺号上提供的特殊转发器，反复搜索航天器轨迹中任何无法解释的异常现象。罗马大学的卢西亚诺·伊埃斯说，这项技术有点像使用高速公路巡逻雷达枪，他领导了对收集数据的分析。天线从地球发射无线电波，朱诺号的转发器接收并将其发送回地球。两次传输之间的频率变化与朱诺号相对于地球的速度成正比。“我们使用朱诺号和地球之间的无线电链路，以极高的精度（每秒 0.01 毫米或更好）测量了航天器的速度，”伊埃斯说。“这只是蜗牛速度的百分之一！”这一切都来自大约 7.5 亿公里之外的距离。
在对朱诺号所有已知加速度来源进行详尽分析后，包括阳光照射使航天器升温的微小影响，伊埃斯的团队发现了木星引力场中一个大的南北不对称——这清楚地表明物质在云顶下的深层大气风中流动。美国宇航局喷气推进实验室的威廉·福克纳及其同事对这一困难的测量进行了验证。接下来，另外两个团队（以色列魏茨曼科学研究所的约哈伊·卡斯皮领导的一个，法国蔚蓝海岸天文台的特里斯坦·吉约领导的另一个）更深入地研究了数据的互补子集。这两个团队的分析都收敛于大约 3,000 公里的数字，作为流动的下边界。
巨行星的新范式
这些结果表明，这些流动约占木星总质量的 1%，这意味着木星的风持续吹动超过三个地球质量的物质环绕行星。它们还表明，气态巨行星大气层的导电性是设定这类世界动态风极限的关键特性，因为高压下的电离气体与其磁场发生拖曳。由于气态巨行星的大气压力和磁场都取决于其质量，因此质量较小的世界（如土星）应该具有比木星深三倍以上的动态天气。质量比木星大的气态巨行星，以及被称为棕矮星的“失败的恒星”应该相反地具有浅得多的风。
值得注意的是，这些预测已经在进行测试。卡西尼号轨道飞行器去年结束了其对土星系统为期 13 年的探索之旅，通过在土星大气层中燃烧殆尽，也发回了测量该行星引力场的遥测数据。“我们有机会同时比较这两颗行星，”伊埃斯说，他与加利福尼亚大学伯克利分校的行星科学家布克哈德·米利策一起分析了卡西尼号的数据。“我们尝试以与朱诺号数据相同的方式拟合卡西尼号数据，但根本行不通。卡西尼号正在呈现的画面是一颗与木星截然不同的行星。”但据传言，土星在非常具体的方式上是不同的——它的动态天气似乎比木星更深入地延伸到行星内部，正如预测的那样。据说，这对组合及其合作者已向《科学》杂志提交了一篇详细介绍这些发现的论文。
当然，在木星上仍有许多工作要做，朱诺号的时间也快到了。其主要任务计划于今年 7 月结束。美国宇航局可能会选择延长它，但航天器仍可能随时屈服于被磁场捕获的行星周围致命高能粒子晕的强烈辐射。如果他们的航天器保持健康并获得资金，朱诺团队正在考虑进行额外的测量，这些测量可以进一步探测木星的内部，例如监测大型卫星围绕行星旋转引起的潮汐隆起。至少在地球上，有一组天文学家正在使用地面望远镜来搜索木星和土星大气层中波动的地震波，这种现象与我们自己世界的地震大致相似。
这些以及其他即将进行的研究或许可以揭示一个新发现的谜团，该谜团在朱诺团队成员本周在《自然》杂志上发表的第四篇论文中提出。它提供了有关先前报道的两颗行星极点周围聚集的旋风的更多详细信息。这些旋风——它们以奇异的稳定和几何图案存在，这违背了大多数基于模型的预测——仍然无法解释。它们与行星深层动力学可能存在的任何联系尚不清楚。目前，木星仍然有一些秘密。