木星的光環(huán)系統（上）

□ 劉 炎

木星的光環(huán)系統（上）

□ 劉 炎

天王星的光環(huán)發(fā)現之后，人們的問題是：以光環(huán)著稱的土星是一顆類木行星，天王星也是一顆類木行星，那么其他類木行星，特別是木星本身是否也會擁有光環(huán)呢？

1979年3月7日， 美國加利福尼亞州巴薩迪納的噴汽推進實驗室（JPL）（具體管理和實施“旅行者號”探測計劃的機構）的科學家們宣告：剛剛到達木星的旅行者1號宇宙飛船發(fā)現，在木星周圍也有一個暗弱的光環(huán)，這是旅行者1號飛往木星探測時的第一個驚人發(fā)現。

發(fā)現

1979年3月4日，就在即將到達距離木星最近位置（距離為34.9萬千米）之前的一天，旅行者1號飛船拍攝到了一張盼望已久的特殊照片（圖1）。

四個月后，旅行者2號也接踵飛達木星，進一步拍攝到了清晰的照片，從而確證了木星光環(huán)的存在。木星也就成了太陽系中繼天王星之后第三個被發(fā)現擁有光環(huán)的行星。

圖1 這是第一張關于木星光環(huán)的照片，經多次的曝光，總的曝光時間達11分鐘12秒。穿過畫面中心的那片由多條細帶組成的寬闊光帶顯示了一個極薄而又極暗的微弱光環(huán)。波折狀的白色光跡是背景星曝光的星跡，是由于飛船的一個周期為78秒的緩慢擺動造成的；那些排列整齊的黑點是一些幾何校準點。環(huán)帶的厚度估計只有30千米甚至更少，環(huán)帶在木星云層之上約5.7萬千米。拍攝時旅行者1號距離木星為121.2萬千米

圖2 這是兩張確證木星光環(huán)存在的照片。拍攝時旅行者2號飛船距離木星環(huán)有150萬千米，正處在木星陰影中，太陽幾乎就在木星的后面，光環(huán)在前向散射的陽光中顯得特別明亮。照片還揭示了木星環(huán)有著某些徑向的結構。對于陽光的強烈前向散射，又是散射粒子尺度極小的顯著特征。（1979年7月10日拍攝）

與天王星光環(huán)的意外發(fā)現不同，旅行者號飛船拍攝到木星的光環(huán)并非純屬偶然。其實，搜索木星赤道平面上是否存在光環(huán)是早先就有安排的一個探索計劃。因為早在1973年和1974年，先驅者10號（Pioneer 10）和先驅者11號（Pioneer 11）飛掠木星、探測木星的高能粒子輻射帶時，就曾發(fā)現了一些異?，F象：“在先驅者10號飛掠到最低高度附近時觀測到的質子通量的減少可歸因于木衛(wèi)五對高能粒子的吸收”、“木星的內衛(wèi)星是高能粒子匯聚處，或者又可能是源泉”（參見《Science，02 May 1975，p.465》）。因而研究者當時就猜測，在木星的赤道平面上有可能存在著由某些物質粒子匯聚成的環(huán)帶。而在1977年3月10日天王星光環(huán)的意外發(fā)現，無疑又大大增強了探索者們的信心。

在旅行者號飛船之后，1995年至2002年期間伽利略號飛船對木星的衛(wèi)星和光環(huán)進行了深入的探測研究，拍攝到了大量的優(yōu)質圖像，進一步發(fā)現木星的光環(huán)也有著頗為復雜的結構，奠定了對木星環(huán)系統的基本認識。同時，夏威夷的凱克天文臺在1997年及2002年也對木星環(huán)進行長期的地面基地觀測；哈勃太空望遠鏡1999年時揭示了在背向散射光線下觀測到的木星環(huán)的豐富結構。在2000年，卡西尼-惠更斯探測器在飛往土星的旅程中對木星系統飛掠時也進行了廣泛的探測。在2007年2月至3月期間，由新視野號飛船傳回的圖像更首次揭示了主環(huán)的精細結構。

木星光環(huán)系統的結構

圖3 木星光環(huán)系統結構的一個模型圖，顯示有四個主要組成部分，從內向外依次是暈環(huán)、主環(huán)和木衛(wèi)五薄紗環(huán)（Amalthea Gossamer Ring）及木衛(wèi)十四薄紗環(huán)（Thebe Gossamer Ring）。圖中還畫出了與這些環(huán)帶密切相關的四顆木衛(wèi)。為了簡單起見，木衛(wèi)十六（Metis）和木衛(wèi)十五（Adrastea）畫在了同一個軌道上，實際上木衛(wèi)十六的軌道還要在木衛(wèi)十五軌道之內約1000千米。

現在我們已經知道，木星的光環(huán)并不是一個簡單的環(huán)帶，雖然它不像土星光環(huán)系統那么復雜，但也有著若干個環(huán)帶，組成了一個光環(huán)系統。

木星的光環(huán)系統十分暗弱，有四個主要的環(huán)帶：其中相對最亮的是一個薄薄的“主環(huán)（Main Ring）”；主環(huán)之內是一個輪胎狀的光暈環(huán)圈，稱為“暈環(huán)（Halo Ring）”；主環(huán)之外則是兩個更加暗弱但又相當寬闊的薄紗狀環(huán)帶，稱為“薄紗環(huán)（ Gossamer Ring）”。兩個薄紗環(huán)就像套在一起的兩個夾心薄餅那樣，其名稱分別得自于它們組成物質來源的兩個衛(wèi)星：“木衛(wèi)五（Amalthea）”和“木衛(wèi)十四（Thebe）”。

下表列出了這些環(huán)帶的主要參數和性質：

表1 木星環(huán)帶系統的主要參數和性質

關于木星環(huán)帶的中文名稱

在此要說明的是，上面（表1）中木星環(huán)帶的中文名稱主要是本文作者的建議名稱。

木星環(huán)帶的英文名稱已有國際的規(guī)范，由國際天文學聯合會（IAU）的行星系統命名工作小組（WGPSN)定名，由IAU正式頒布，得到世界各國天文界的一致公認。相應于這些英文名稱的中文名則由我國的天文名詞委員會定名公布。

然而現今的情況是天文名詞委員會尚未對這些木星的環(huán)帶正式定名，因而在一般的媒體刊物上涉及時，往往是借用“維基網?中文版”或“百度百科”的譯名。而后者的譯名又基本上是搬用了前者，筆者以為這兩個網上的四個譯名中有三個欠妥。

太陽系中“行星光環(huán)”在英文中一般稱為“planetary rings”或“planetary ring system”，嚴格地說，在中文中應稱為“行星的環(huán)帶系統” 或“行星環(huán)系統”，因為各個行星的光環(huán)都并非是單獨的一個環(huán)帶，而是由多個環(huán)帶組成的一個復雜的環(huán)帶系統。因此對于土星、天王星和木星等各大行星而言，它們的“光環(huán)”應該分別稱為“土星環(huán)帶系統”、“天王星環(huán)帶系統”和“木星環(huán)帶系統”等；在英語中的原文則是“Rings of Saturn（或Jupiter、Uranus）”或“Saturian（或Jovian、Uranus'） Ring System”等。

但是由于歷史的原因，也由于使用的方便，在中文中人們往往會簡稱為“土星的光環(huán)”、 “木星的光環(huán)”、“天王星的光環(huán)”和“海王星的光環(huán)”等。實際上，后者的名稱是不嚴格的，然而由于現今的使用已經極其廣泛，也就已成一種俗成的稱呼了。不過，此處的“光環(huán)”已不是指單個的環(huán)帶，而是指該行星的整個環(huán)帶系統了。

英文“Halo Ring”中的“Halo”，其原意應是“光暈，暈圈，暈環(huán)”等，此種環(huán)帶的亮度較弱，邊界也不太明晰，與中文的“光環(huán)”（一般指邊界較為明晰的發(fā)光環(huán)帶）的含義顯然有相當的差別，因此應該譯為“暈環(huán)”而不宜譯成“光環(huán)”。同時，如果將“Halo Ring”譯成“光環(huán)”，還會與“木星環(huán)帶系統”的俗稱“木星的光環(huán)”相混淆。而且對于單個環(huán)帶而言，筆者認為已不宜再說成“XX光環(huán)”，而應稱為“XX環(huán)帶”了。此外，如用音譯為“哈洛環(huán)” ，也是欠妥的。

至于兩個薄紗環(huán)名稱中的“Amalthea”和“Thebe”，原本是木星的兩顆衛(wèi)星木衛(wèi)五和木衛(wèi)十四的英文名稱。對于木星衛(wèi)星的中文譯名，就像對于太陽系其他行星的所有衛(wèi)星之譯名一樣，按傳統和慣例都一律不用音譯或意譯，而是基本上根據它們被發(fā)現和命名的時間順序先后，依次定名為“×衛(wèi)一”、“×衛(wèi)二”、“×衛(wèi)三”、……、“×衛(wèi)十一”……這些衛(wèi)星的譯名也都由我國的天文學名詞審定委員會審定并公布。因此也不宜用“阿馬爾塞薄紗光環(huán)”和“底比斯薄紗光環(huán)”這樣的音譯。由此，“Amalthea Gossamer Ring”和“Thebe Gossamer Ring”也應根據衛(wèi)星名稱的規(guī)范稱呼譯為：“木衛(wèi)五薄紗環(huán)”和“ 木衛(wèi)十四薄紗環(huán)”（也不宜加“光”字）。

當然，對木星衛(wèi)星的名字，從而木星環(huán)帶的名稱都源于希臘的神話故事，在某些特殊的場合，為了增加這些衛(wèi)星譯名的故事性或趣味性，往往會按原意進行音譯或意譯，然而對于這些衛(wèi)星和環(huán)帶的中文譯名如果又去采用一般性的，或通俗文化的音譯（例如“維基百科”等網上），有時就會使讀者很難把這些譯名與原有的希臘神話故事以及相應的土星衛(wèi)星聯系起來。筆者認為，那就應該使用這些名字在希臘神話或羅馬神話中已有的、慣用的稱呼，而不宜另用新的譯名。

作為比較，下表列出了這四個環(huán)帶名稱的英文名、維基和百度等網上的中文譯名以及本文作者的建議譯名，以做參考：

表2. 木星環(huán)帶的中英文名稱對照

主環(huán)

木星光環(huán)系統中最明亮、最顯著的部分是主環(huán)，然而那也只是一個狹窄的薄環(huán)。其外邊界位于離木星中心約129,000千米處，即主環(huán)的外半徑為1.806RJ（RJ=木星的赤道半徑，為71,398千米），這與木星最小的內衛(wèi)星木衛(wèi)十五的軌道相吻合；而內邊界則位于約122,500千米處，即主環(huán)的內半徑為1.72RJ，該處還沒有發(fā)現任何衛(wèi)星。由此可知，木星主環(huán)的寬度約為6,500千米。

在旅行者號飛船探測發(fā)現木星光環(huán)之后，伽利略號軌道飛行器和新視野號飛船也都對木星環(huán)做了進一步的探測。

下面兩圖（圖4、圖5）是伽利略號軌道飛行器于1996年9月9日拍攝到的木星主環(huán)的優(yōu)質圖像。

主環(huán)的外觀形態(tài)與觀測的方向大有關系。

在天文觀測中，例如對于行星環(huán)和彗星的觀測中，為了使亮度或細節(jié)更加突出，經常利用兩個特殊的方向的觀測。一個是所謂的“前向散射光”的觀測（In forward-scattered light，也稱“正向散射光”），另一個則是所謂的“后向散射光”的觀測（In back-scattered light，也稱“背向散射光”）。以觀測對象為中心，位于太陽同一方向的觀測稱為“后向散射光”的觀測；而在與太陽相對方向的觀測則稱為“前向散射光”的觀測。如果環(huán)帶或彗尾中的物質粒子非常小，只有微米的量級，前向散射光就要比后向散射光強得多。對于木星的主環(huán)，在這兩種不同方向的觀測圖像確也有著極大的差別，圖4就是在前向散射光中拍攝的。

新視野號飛船在2007年2月至3月飛掠木星時又拍攝到了更加清晰的圖像。

圖4 伽利略號軌道飛行器于1996年9月9日在前向散射光中拍攝到的木星主環(huán)?？梢钥吹街鳝h(huán)的內邊界甚為彌散，而外邊界則相當明銳。右側靠近環(huán)帶的外邊緣附近，有一個明顯的暗帶，被稱為木衛(wèi)十六環(huán)隙，那里正是木衛(wèi)十六的軌道所在。

圖5 對圖4中的圖像進行處理后突出了主環(huán)帶內的結構，在木衛(wèi)十六環(huán)隙（Metis notch）內側（右側）可以看到一個亮帶（patches），可以稱為中央亮帶。

圖6 新視野號飛船在2007年2月28日拍攝到的木星主環(huán)外側的最清晰圖像。上圖是在后向散射光拍攝的，可見到主環(huán)外側的精細結構。下圖則是在前向散射光拍攝的，除了木衛(wèi)十六軌道處的環(huán)隙之外看不出任何細節(jié)。

圖6中，在前向散射（即大致是對著太陽光的方向）光線的情況下，主環(huán)的亮度較強，呈現為一條寬度為數千米的亮帶。環(huán)帶的外側邊緣較為明晰，內側的亮度逐漸減弱，然后融合在內圈的暈環(huán)（Halo ring）之中。在圖中可以看出，在靠近外側邊緣的不遠處，有一個明顯的亮度較弱的暗帶，被稱為是“中央環(huán)隙（central gap）”，其產生的原因，至今還一無所知。

在后向散射（即大致是背著太陽光的方向）光線的情況下，在主環(huán)中只能看到三個相對較亮的、很細的窄環(huán)。中間那個最亮的叫中央小環(huán)（central ringlet），離木星中心的距離大約是12850千米。外側的那個叫外小環(huán)（outer ringlet），內側的則叫內小環(huán)（inner ringlet）。外小環(huán)和中央小環(huán)之間的小縫隙正是木衛(wèi)十五的軌道所在處，也稱為是木衛(wèi)十五環(huán)隙（gap of Adrastea）。外小環(huán)就緊貼在這一環(huán)隙的外側，因此木衛(wèi)十五被認為是主環(huán)外側的牧羊犬衛(wèi)星。在中央小環(huán)和內小環(huán)之間的那個稍寬的暗縫，就是在前向散射光中呈現的中央環(huán)隙。在內小環(huán)內側的不遠處是木衛(wèi)十六的軌道，緊靠木衛(wèi)十六軌道的內側，又有一個稍寬的暗縫，稱為木衛(wèi)十六環(huán)隙（Metis notch）。木衛(wèi)十六環(huán)隙之內，就已看不到任何的精細結構了。

表3 主環(huán)中的細節(jié)結構（小環(huán)和環(huán)隙）

*表3說明：上表內容是根據有關的英文資料原文整理編集的，其中各個小環(huán)和環(huán)隙的名稱迄今尚未有正式的定名，都是筆者的初步建議名稱。環(huán)帶中的兩條暗縫都極其狹窄，因此都不宜用“環(huán)縫”之說，而稱之為“環(huán)隙”。

表3中列出了主環(huán)中各個小環(huán)和環(huán)隙的大致位置。

在前向散射和后向散射的不同光線中，主環(huán)分別呈現出不同的圖像，這意味著主環(huán)中有著尺度大小不同的物質。因為尺度大小不同的粒子，其反射特性也不同：極其細小的塵埃物質主要是散射出前向的光線，而較大的顆粒碎片則主要是散射出后向的光線。

由此可以對上述主環(huán)環(huán)帶中的細節(jié)結構作一粗略的解釋：由于塵埃顆粒的前向散射要比后向散射強出許多（約20）倍，就意味著塵埃粒子的尺度是微米量級（0.1～10μm）的。而在背向散射光線中顯現的在木衛(wèi)十六與木衛(wèi)十五軌道之間三個小環(huán)，表明其中的物質顆粒較大，可達厘米甚至0.5千米的量級。

主環(huán)是一個薄環(huán)，其垂直方向的厚度在不同方向的觀測中也有著相當的差別。在背向散射光的觀測時不足30千米，而在正向散射的角度上要厚很多——約300千米。此外，在側向散射光的角度下，主環(huán)的厚度大致在80～160千米的范圍，而且在向著木星的方向上逐漸有所增加。

圖7 木星環(huán)帶的形成機制的示意圖。一般環(huán)帶中微小顆粒的壽命只有上百年的時間，這與太陽系的年齡相比是極其短暫的。

主環(huán)內塵埃和顆粒物質的總質量估計約為107～109千克。這些物質成分的主要來源，現一般認為是環(huán)帶外邊緣的衛(wèi)星。具體來說就是木衛(wèi)十五和木衛(wèi)十六（離木星比木衛(wèi)十五更近1000 千米）以及這兩顆衛(wèi)星軌道之間的某些大小客體。

衛(wèi)星和那些大小客體會受到外來流星體的高速撞擊，撞擊后被拋射出的碎塊和塵埃粒子也會圍繞著木星運轉，其中易揮發(fā)的物質——例如水冰——會迅速地蒸發(fā)掉。一開始，那些留存下來的物質粒子的軌道與其母衛(wèi)星（或母客體）的相同，但由于太陽輻射壓的波印廷-羅伯森拖拽效應（Poynting-Robertson drag）以及木星磁層電磁力的共同作用，就以螺旋線形的路徑漸漸地向內側移動而形成一個環(huán)帶。但那些塵埃和粒子的壽命大約只有100至1000年，因此它們必須要得到源源不斷的補充，才能維持。我們現在還不清楚主環(huán)的壽命至今已有多少年，但它很可能是遠古時期木星近處那些小天體的最后殘存者。

圖8 這是2015年8月16日拍攝的一張木星環(huán)系的紅外圖像。

圖9 拍攝時伽利略號飛船正處于木星后面的陰影中（即太陽正被木星掩食），而且在主環(huán)平面以上0.5°的方位上。在前向的太陽散射光中，木星環(huán)和木星上層大氣中極其微小的塵埃顆粒都會凸顯出來。照片上主環(huán)的外半徑約為23萬千米，這正是木衛(wèi)十四軌道的位置。（拍攝于1996年11月9日）

圖10 伽利略號軌道飛行器于1996年9月9日在前向散射光中拍攝到的位于暈環(huán)（ Halo Ring）外側的木星主環(huán)及其光暈（halo bloom）。

圖7是上述關于木星主環(huán)形成機制的示意圖。

哈勃太空望遠鏡、凱克天文臺、伽利略號和卡西尼-惠更斯號等都拍攝了主環(huán)的光學波段的光譜，發(fā)現譜帶區(qū)主要在波長0.5～2.5微米之間，這意味著組成主環(huán)的粒子是紅色的。這一光譜特征與木衛(wèi)十五及木衛(wèi)五的十分類似。

在前向的太陽散射光中木星主環(huán)顯現為一個較亮的薄環(huán)，這主要是微米量級（0.1～10μm）尺度的塵埃粒子反射光線。而在木星大氣的高層，其塵埃粒子的尺度也是微米的量級。由此，伽利略號宇宙飛船曾在前向的太陽散射光中拍攝到了一張?zhí)厥獾恼掌和瑫r呈現出了木星主環(huán)和大氣高層的圖像。

伽利略號飛船還曾發(fā)現，主環(huán)的外圍被一圈光暈（halo bloom）狀的云團包裹著，光暈是一個更加暗淡、相對較厚（～600千米）的稀薄云團。越向主環(huán)的內邊界，光暈就越厚，最后就過渡到更內側的暈環(huán)（Halo Ring）。見圖10。

（責任編輯 張長喜）