木星的光環(huán)系統(tǒng)（下）

□ 劉 炎

木星的光環(huán)系統(tǒng)（下）

□ 劉 炎

圖1 在前向散射光中呈現(xiàn)的暈環(huán)假彩圖像。（伽利略飛船攝于 1996年11月8日）

暈環(huán)

主環(huán)之內(nèi)是木星的暈環(huán)，它是木星環(huán)系的最內(nèi)圈、最厚的一個(gè)環(huán)帶，其外邊界與主環(huán)的內(nèi)邊界在半徑122,500千米（1.72RJ）處交疊在一起；而內(nèi)邊界則比較清晰，位于半徑約100,000千米（1.4RJ）處。但在更接近木星的區(qū)域，直至92,000千米（木星的赤道半徑為71,398千米）附近也還發(fā)現(xiàn)有暈環(huán)物質(zhì)的存在。由此，暈環(huán)的寬度約為30,000千米。

暈環(huán)的表面亮度要比主環(huán)低得多。與主環(huán)類似，暈環(huán)也是在正向散射光線中最亮。圖1就是由伽利略號軌道探測器在正向散射光線中拍攝的暈環(huán)圖像。

暈環(huán)厚度由外向內(nèi)，向著木星中心的方向快速增加，但縱向延伸的實(shí)際厚度究竟是多少至今也不太清楚，然而至少在暈環(huán)對稱面兩側(cè)的10,000千米處還能探測到暈環(huán)的物質(zhì)。

暈環(huán)的亮度分布也并非均勻，主要集中于對稱平面處；向著兩側(cè)則快速地降低，其規(guī)律也是一種指數(shù)的形式：與z-0.6至z-1.5成正比例，其中z是離環(huán)面的垂直高度。

由凱克天文臺和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在背向散射光線下觀測到的暈環(huán)外形與前向散射光觀測的基本相同，但亮度更集中于環(huán)平面處。

暈環(huán)的光譜性質(zhì)與主環(huán)不同，其在0.5～2.5微米波長范圍內(nèi)輻射強(qiáng)度的分布要比主環(huán)的平坦，因此暈環(huán)的顏色不會偏紅，而很可能甚至是藍(lán)色的。

由暈環(huán)的光學(xué)性質(zhì)可以推測，其中塵埃粒子的尺度小于15微米，而在遠(yuǎn)離環(huán)平面的區(qū)域甚至還可能含有亞微米尺度的塵埃。由此可以解釋暈環(huán)較強(qiáng)的正向散射、偏藍(lán)的顏色以及未能在可見光波段見到結(jié)構(gòu)物的分布等特性。

暈環(huán)中的物質(zhì)很可能來自于主環(huán)，其形成的物理機(jī)制與主環(huán)的相同，參見本刊上一期“木星的光環(huán)系統(tǒng)（上）”一文的圖7，只是暈環(huán)中物質(zhì)的密度要小得多，而塵埃粒子的尺度則要稍大一些。

薄紗環(huán)

主環(huán)的外側(cè)是薄紗環(huán)（Gossamer Ring）。薄紗環(huán)有兩個(gè)，一個(gè)是木衛(wèi)五薄紗環(huán)，一個(gè)是木衛(wèi)十四薄紗環(huán)，它們分別得名于有關(guān)的兩顆小衛(wèi)星：木衛(wèi)五（Amalthea）和木衛(wèi)十四（Thebe）。

顧名思義，“薄紗環(huán)”就是像“薄紗似的環(huán)帶”，不僅物質(zhì)密度甚低，其外觀的亮度也更弱。這兩個(gè)環(huán)帶的相互位置，并非是像兩個(gè)大小不同的指環(huán)那樣，小指環(huán)被嵌在了大指環(huán)的內(nèi)圈；而是像兩張薄餅?zāi)菢?，小薄餅被塞在了大薄餅的?nèi)層，形成一個(gè)“夾心的薄餅”，參見圖2。

圖2 木星光環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個(gè)模型圖，顯示有四個(gè)主要組成部分，從內(nèi)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(guān)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(gè)軌道上，實(shí)際上木衛(wèi)十六的軌道還要在木衛(wèi)十五軌道之內(nèi)約1000千米。

1.木衛(wèi)五薄紗環(huán)

木衛(wèi)五薄紗環(huán)（Amalthea Gossamer Ring）是一個(gè)扁扁的、有著大致是矩形橫截面的暗淡結(jié)構(gòu)物，寬度約53000千米，被包裹在薄紗環(huán)的內(nèi)層。它的內(nèi)邊界緊貼在主環(huán)外圍的129,000千米（1.80RJ）處，由于主環(huán)及其光暈的存在而難以明確界定。外邊界則延伸至182,000千米（2.54RJ）的木衛(wèi)五軌道處。

在外邊界的木衛(wèi)五軌道附近，環(huán)的厚度約為2300千米，向著木星中心的方向漸有減少。此薄紗環(huán)的亮度大約只有主環(huán)的三十分之一，最亮處在環(huán)的內(nèi)邊界，向外則不斷減弱。亮度的垂直分布是由對稱平面分別向上、下兩側(cè)增加，最亮處實(shí)際上在環(huán)帶區(qū)的頂部邊界和底部邊界，而且往往是一個(gè)邊界處的亮度要高于另一個(gè)邊界處。

圖3 圖中亮區(qū)自右向左依次是木星內(nèi)圈的暈環(huán)、主環(huán)及其外層的光暈，中部和左側(cè)的暗帶是薄紗環(huán)。薄紗環(huán)內(nèi)層稍亮的光帶是木衛(wèi)五薄紗環(huán)，包裹在外側(cè)的木衛(wèi)十四薄紗環(huán)由于更暗而很難看出，只有經(jīng)過圖像反差的增強(qiáng)處理后才能顯現(xiàn)出來。（伽利略號飛船于1996年11月9日拍攝）

圖3是伽利略號飛船在前向散射光中拍攝得到的薄紗環(huán)圖像。

2002～2003年期間，伽利略號飛船曾兩次穿越薄紗環(huán)。在這期間飛船的塵埃計(jì)數(shù)器檢測到塵埃粒子的尺度在0.2～5微米的范圍內(nèi)。此外，伽利略號飛船的星體掃描儀在木衛(wèi)五薄紗環(huán)的近處檢測到若干離散的小客體（＜1千米），這些可能是木衛(wèi)五受到碰撞后產(chǎn)生的碎片。

由地面的以及伽利略號飛船的圖像觀測和對塵埃物質(zhì)的直接測量，已經(jīng)可以定出木衛(wèi)五薄紗環(huán)中粒子尺度分布的規(guī)律，看來與主環(huán)中的情況相似，也有著冪律譜的形式：冪指數(shù)q=2±0.5。木衛(wèi)五薄紗環(huán)的光學(xué)厚度為10-7，要比主環(huán)的低一個(gè)量級，但所含塵埃物質(zhì)的總質(zhì)量卻與主環(huán)差不多，也是107-9kg。

現(xiàn)在一般認(rèn)為，木衛(wèi)五薄紗環(huán)中的物質(zhì)主要來源于木星的內(nèi)衛(wèi)星木衛(wèi)五，此薄紗環(huán)因而得名。

2.木衛(wèi)十四薄紗環(huán)

包裹在木衛(wèi)五薄紗環(huán)外圈的木衛(wèi)十四薄紗環(huán)（Thebe Gossamer Ring）是木星環(huán)系中最暗淡的一個(gè)環(huán)帶,寬度約97000千米，這也是一個(gè)橫截面大致是中空矩形的結(jié)構(gòu)物。環(huán)帶內(nèi)邊界與木衛(wèi)五薄紗一樣，也是緊貼在主環(huán)外圍的129,000千米（1.80RJ）處，由于主環(huán)及其光暈的存在而難以明確界定；外邊界則延伸至226,000千米（3.11RJ）的木衛(wèi)十四的軌道處。

木衛(wèi)十四薄紗環(huán)的厚度在外邊界處約為8400千米，向著木星中心的方向漸有減小。其最亮的部分也在環(huán)帶區(qū)的頂部邊界和底部邊界處，而且越接近木星中心方向則越亮——這與木衛(wèi)五薄紗環(huán)的情況十分相像。

現(xiàn)在一般認(rèn)為，木衛(wèi)十四薄紗環(huán)中的物質(zhì)主要來源于木衛(wèi)十四，此薄紗環(huán)也因而得名。

3.木衛(wèi)十四延伸

木衛(wèi)十四薄紗環(huán)的亮度還一直延伸到木衛(wèi)十四軌道之外的280,000千米（3.75RJ）附近，延伸部分的寬度約有54000千米，被稱為“木衛(wèi)十四延伸”（Thebe Extension）。

在正向散射光線下觀測，此延伸帶的亮度比木衛(wèi)十四薄紗環(huán)還要暗淡，只是后者的三分之一；而在背向散射光線下，亮度更暗弱到只有凱克天文臺的巨型望遠(yuǎn)鏡才能勉強(qiáng)探測到。

2002～2003年期間，伽利略號飛船的塵埃計(jì)數(shù)器檢測到塵埃粒子的尺度在0.2～5微米的范圍——這與木衛(wèi)五薄紗光環(huán)的情況也十分相似，由此也可認(rèn)為伽利略號飛船對木衛(wèi)五薄紗環(huán)的圖像觀測結(jié)果是可靠的。

木衛(wèi)十四薄紗環(huán)塵埃物質(zhì)的總質(zhì)量與木衛(wèi)五薄紗環(huán)的也差不多（約為107-9千克），環(huán)帶中粒子尺度的分布也是遵守冪律譜的規(guī)律，然而冪指數(shù)q＜2，要比木衛(wèi)五的平坦一些。而在木衛(wèi)十四延伸中，冪指數(shù)q可能還要小一些。

4.薄紗環(huán)的起源

薄紗環(huán)中塵埃物質(zhì)的來源方式與主環(huán)和暈環(huán)的基本相同，分別來自于它們外側(cè)的衛(wèi)星，即木衛(wèi)十四和木衛(wèi)五，其形成的機(jī)制也是一樣。

薄紗環(huán)厚度的尺度則由其母衛(wèi)星在與軌道面垂直方向的漂移范圍所決定，因?yàn)槟感l(wèi)星有一個(gè)非零的軌道傾角，在圍繞木星的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，有時(shí)會在軌道平面之上，有時(shí)則在軌道平面之下，這一變動(dòng)的范圍大致與薄紗環(huán)的厚度對應(yīng)。

現(xiàn)有的關(guān)于薄紗環(huán)起源的理論假設(shè)基本上可以自然地解釋大部分的觀測特性：矩形橫截面、向著木星方向厚度的減小以及在環(huán)帶頂部及底部邊界處亮度的增強(qiáng)等等。

然而還有某些性質(zhì)仍遠(yuǎn)未能解釋，例如可能起因于木衛(wèi)十四之外某些未曾見到的小天體的“木衛(wèi)十四延伸環(huán)”及其在背向散射光中的某些可見結(jié)構(gòu)等。

對于“木衛(wèi)十四延伸”的一個(gè)可能的解釋是源自木星磁層電磁力的影響。當(dāng)塵埃粒子進(jìn)入木星背后的陰影中時(shí)，就很快會失去部分電荷。由于很小的塵埃粒子也部分地參與行星的同步運(yùn)轉(zhuǎn)，它們在通過陰影區(qū)時(shí)就會向外運(yùn)動(dòng)，從而引起木衛(wèi)十四延伸環(huán)的向外擴(kuò)張。這種木星磁層電磁力的作用還可用以解釋木衛(wèi)五和木衛(wèi)十四軌道之間粒子分布和環(huán)帶亮度的一個(gè)環(huán)隙。

木衛(wèi)六環(huán)

木星的一顆直徑只有4千米的小衛(wèi)星木衛(wèi)五十三（Dia），在2000年被發(fā)現(xiàn)之后曾一度消失不見。有一種猜測認(rèn)為，這顆小衛(wèi)星（軌道半長徑1257萬千米）可能已經(jīng)撞入臨近的一顆比它大得多的衛(wèi)星，直徑為170千米的木衛(wèi)六（Himalia，軌道半長徑1145萬千米），木衛(wèi)五十三的毀滅將會形成木衛(wèi)六的一個(gè)暗弱環(huán)帶。當(dāng)然這就需得假設(shè)，通過碰撞，木星有時(shí)候會得到，有時(shí)候又會失去衛(wèi)星。2011年，新視野號飛船在飛經(jīng)木星時(shí)果然在木衛(wèi)六的近旁拍攝到了一個(gè)暗弱條紋——木衛(wèi)六環(huán)（Himalia Ring），人們就認(rèn)為這個(gè)環(huán)帶很可能就是木衛(wèi)五十三撞入木衛(wèi)六后而形成的。然而在2010年和2011年，木衛(wèi)五十三被重新發(fā)現(xiàn)——于是木衛(wèi)五十三和木衛(wèi)六環(huán)之間的可能聯(lián)系被排除，不過這個(gè)木衛(wèi)六的暗弱環(huán)帶仍然可能與另外某一顆小衛(wèi)星有關(guān)。

圖4 新視野號飛船于2011年8月1日拍攝到的可能存在的木衛(wèi)六環(huán)圖像。

木星的環(huán)帶和衛(wèi)星

本文中提及的與木星光環(huán)系統(tǒng)直接有關(guān)的木衛(wèi)有四顆，下表列出了這四顆衛(wèi)星的名稱和主要物理特征：

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下圖標(biāo)示了這四顆衛(wèi)星與光環(huán)系統(tǒng)四個(gè)環(huán)帶之間的位置關(guān)系。

圖5 四個(gè)木衛(wèi)和四個(gè)木星環(huán)帶的位置關(guān)系圖。

圖6 公元200年時(shí)的一座天神朱庇特的大理石雕像

這是四顆離木星最近的衛(wèi)星，屬于木衛(wèi)中的“內(nèi)圈衛(wèi)星群”,在此也順便介紹一下這幾顆木衛(wèi)的名稱和來歷。

這些木衛(wèi)的英文名稱也都是由IAU正式公布的，它們都來源于希臘和羅馬的古代神話故事，而且都是與天神朱庇特（Jupiter）有關(guān)的女性人物。朱庇特又是木星英文名稱Jupiter（同拉丁語：Jupiter）的中文名，是古羅馬神話中的第三代主神，至高無上的眾神之王。對應(yīng)于古希臘神話中的眾神之王宙斯（Zeús）。

最初由伽利略發(fā)現(xiàn)的那四顆木星衛(wèi)星——伽利略衛(wèi)星，在1610年之后不久便由德國的一位天文學(xué)家兼醫(yī)生西蒙?馬里烏斯（Simon Marius，1573－1624）用希臘-羅馬神話中朱庇特的四個(gè)情人的名字命名為Io（伊俄，木衛(wèi)一）、Europa（歐羅巴，木衛(wèi)二）、Ganymede（伽尼米德，木衛(wèi)三）和Callisto（卡利斯托，木衛(wèi)四）。200多年來，這四個(gè)名稱一直為世界各國的天文學(xué)家們所接受和使用。1975年， IAU要為已發(fā)現(xiàn)的木衛(wèi)五至木衛(wèi)十三起名，提出了對新發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)的命名規(guī)則：沿用以往的慣例，必須是天神朱庇特（宙斯）的情人或喜歡的女性人物。但隨著被發(fā)現(xiàn)的木衛(wèi)越來越多，自2004年后，又把命名的范圍擴(kuò)大到這些人物的后代；因此在木衛(wèi)三十四之后，衛(wèi)星都以朱庇特或宙斯的女兒命名。

與木星光環(huán)系統(tǒng)有關(guān)的四顆衛(wèi)星的名字是：

木衛(wèi)五：Amalthea（阿瑪爾忒亞）：

朱庇特的養(yǎng)母，在克里特島上的水澤仙女。受第二代天后瑞亞（Rhea）的托付，她與另一位水澤仙女一起撫養(yǎng)了嬰兒時(shí)期的朱庇特。她有一頭十分寵愛的山羊，就用山羊的奶哺育朱庇特。

朱庇特（宙斯）是第二代主神克洛諾斯（Kronos）之子?？寺逯Z斯的父親，第一代主神烏拉諾斯（Uranus）曾經(jīng)預(yù)言：克洛諾斯將會被自己的兒子推翻。由于一直擔(dān)心自己的孩子長大后會推翻自己，克洛諾斯就將前面五個(gè)新生孩子都一個(gè)一個(gè)地吞吃了。朱庇特出生時(shí)，克洛諾斯的妻子，天后瑞亞（Rhea）怕這次又會被克洛諾斯吞吃，就到地中?？死锾貚u的迪克特山偷偷生下朱庇特，把他藏匿一個(gè)山洞里，并委托那里的兩位水澤仙女秘密撫養(yǎng)。

所謂水澤仙女（Nymph），是希臘神話中次要的女神，她們都是第二代提坦大神俄刻阿諾斯和忒堤斯的女兒，一共有三千個(gè)。俄刻阿諾斯是主管大洋河海的海神，他的每一個(gè)女兒也都代表著一條小溪、河流、水潭、湖泊甚至大海。她們身著白色衣裝，住在潮濕巖洞，奔跑如風(fēng)，快樂迷人；有時(shí)被稱為精靈和仙女，有時(shí)又被視為妖精。

木衛(wèi)十五： Adrastea（阿德剌斯忒亞）

也是朱庇特的養(yǎng)母，克里特島上的水澤仙女。她與Amalthea（阿瑪爾忒亞）一起受天后瑞亞的托付，撫養(yǎng)了嬰兒時(shí)期的朱庇特。

木衛(wèi)十四 ：Thebe （底比斯）

主神朱庇特的一個(gè)情人，埃及國王的女兒，也是第三代天后朱諾（Juno，對應(yīng)于希臘神話中的赫拉）的女祭司伊俄（Io）的外孫女。埃及的底比斯城就來源于她的名字。

木衛(wèi)十六：Metis（墨提斯）

水澤仙女之一，主管海洋的大洋神女（Oceanids），也是一位智慧和計(jì)謀之神。幸存的朱庇特在她的幫助之下最后終于推翻了自己的父親克洛諾斯。墨提斯還設(shè)計(jì)讓克洛諾斯吃了一種藥酒，迫使他把以前吞下的五個(gè)孩子——波塞冬（Poseidon）、哈得斯（Hades）、赫拉（Hera）等全都吐了出來。

后來她又成了朱庇特的第一位伴侶，是智慧女神和戰(zhàn)爭女神雅典娜（Athena）的母親。

新的探索

木星光環(huán)的發(fā)現(xiàn)至今已有30多年，現(xiàn)今，人們對木星的光環(huán)系統(tǒng)雖然已經(jīng)有了一個(gè)基本的、粗略的認(rèn)識。但是還有更多的疑謎有待進(jìn)一步去探索。

就在筆者開始撰寫本文的時(shí)候，傳來了一個(gè)新的好消息：7月4日，早在2011年8月5日發(fā)射升空的朱諾號（Juno）飛船已進(jìn)入了木星的軌道，開始對木星進(jìn)行新的探測。朱諾號飛船是美國宇航局“新疆界（New Frontiers）”計(jì)劃的第二艘飛船，是繼伽利略號飛船之后的第二艘專用的木星探測器?！靶陆纭庇?jì)劃的第一艘飛船是新視野號，在2007年2月至3月期間，曾飛掠木星，首次拍攝到了主環(huán)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

朱諾號飛船又是一艘新一代的探測器，此后將要進(jìn)入木星的極軌軌道繞飛37周，進(jìn)行20個(gè)月的近距探測，我們可以期望，關(guān)于木星的光環(huán)系統(tǒng)，一定也會取得許多令人驚異的新發(fā)現(xiàn)！

圖7 2016年7月4日，美國宇航局的行政官員和“朱諾任務(wù)團(tuán)隊(duì)（Juno mission team）”的成員們?yōu)閼c祝朱諾號成功進(jìn)入木星軌道而一起歡呼！

（責(zé)任編輯 張長喜）