木星(Jupiter)

帶來喜悅的使者

   星是位於距離太陽的第五個位置,同時也是最大的一顆行星。木星巨大的質量足足比其他所有行星總合的兩倍還要大(是地球質量的318倍)。
        軌道:    距離太陽 778,330,000 km (5.20 天文單位AU) 
        直徑:    142,984 km (赤道直徑)
        質量:    1.900e27 kg
    (Jupiter,又稱為Jove;希臘文中的宙斯Zeus)是諸神之王,奧林帕斯山(Olympus.天界)的統治者,守護著羅馬帝國。宙斯是克隆勒斯Cronus(土星Saturn)之子。

    星是天空中第四明亮的星體(僅次於太陽月亮 金星,某些時候火星也會比木星要亮), 它的發現則可以追溯到史前時代。在西元1610年時,伽利略首次發現 了木星四顆大型的衛星:埃歐(Io)歐羅巴(Europa)加尼美得(Ganymede)克里斯多(Callisto)(現在這四顆衛星被稱之為伽利略Galilean衛星),這同時也是第一次發現 不以地球為中心的繞行運動。這樣的發現成為支持哥白尼(Copernicus)太陽為中心(Heliocentric) 行星運行理論的主要論點,而伽利略由於發言支持哥白尼的理論,也因此被捲入了宗教審判的麻煩裡。

    們對木星的第一次拜訪,是在1973年時的先鋒十號(Pioneer 10), 其後還有先鋒十一號(Pioneer 11)航海家一號(Voyager 1)航海家二號(Voyager 2)尤里西斯號(Ulysses),目前則有太空船伽利略號(Galileo) 以軌道繞行木星,預計至少在未來二年內會持續傳送資料回到地球。

    樣的氣態行星並沒有固體表面,它們的氣體材質很容易因為深度的增加而使得密度變大 (這類行星半徑及直徑的大小是以一大氣壓的水平高度作為依據)。而我們所看見的這些行星, 其實都是它們大氣頂部的高層雲,(稍微高於一大氣壓的水平高度)。

    星大約有90%的和10%的 (這是原子個數的比例, 質量的比例則有75%/25%),以及少量的甲烷、水、氨水和"岩石"。這樣的組成比例和形成整個太陽系的原始 太陽星雲(Solar Nebula)組成非常接近。土星(Saturn) 則具有同樣類似的組成,但是天王星(Uranus)海王星(Neptune)在氫和氦的含量上就少得多了。

    前所有關於木星(以及其他氣態行星)內部的相關知識,大多還停留在間接觀測或是猜想的階段。(來自伽利略號 大氣探針觀測資料也不過深入雲層頂端之下僅僅150km的深度而已。)

   星還可能具有岩石材質的核心,其質量可以達到10至15倍的地球質量。

    於核心位置的外層佔了行星大半體積的部分,是以液態金屬氫(liquid metallic hydroquen)的形式存在, 這種大部分常見的元素都具有的特殊型式,只會出現在超過四百萬巴(bars)的情況下 (地表的大氣壓力約為一巴),就像是在木星(以及土星)內部的情況。液態金屬氫包含了離子化的質子和電子 (如同太陽內部的情況,只不過溫度較太陽內部為低),在木星內部這樣溫度和壓力的狀況下,氫並不是氣態而是液態, 它成為電的導體,同時也成為木星磁場的來源。這一層同時可能具有一些氦以及少量種類的"冰"

   星的最外層主要是由一般的氫分子及氦分子所組成,外層氣態的物質包圍住液態的內部。而我們所看到的木星大氣則只是木星巨厚大氣層上 最頂層的部分。大氣中僅僅只有非常小部分的水、二氧化碳、甲烷以及一些簡單的氣體分子。

    近的實驗顯示,氫的狀態並不會有突然的變化,因此推測在類木行星內部不同的分層之間,可能沒有明確的界線存在。

    信木星表面存在著三層不同的雲層,包含氨冰、氫硫化銨以及水和冰的混合物。然而來自伽利略號探針觀測的初步結果 僅僅對雲層提出了不明確的指示(其中一項裝備似乎有探測到最頂層的部分,另一項裝備則可以探測到第二層)。 但是觀測探針的進入點(左圖)狀況並不尋常,根據地球表面天文望遠鏡的觀測結果以及由伽利略軌道者號最近的 觀測結果顯示, 觀測探針進入位置可能是木星當時最溫暖以及雲量最少的區域。

    自伽利略大氣圈觀測探針的資料顯示,木星上水的含量似乎遠低於預期。原先預期木星的大氣圈應該具有氧氣的含量(以期與大量的氫結合成水)是太陽的二倍,但是目前顯示氧氣實際的含量卻遠低於太陽。此外大氣圈最上層部分的高溫及高密度也讓人感到非常驚訝。

    星及其它氣態行星都具有高速度的風,並侷限在寬帶區域的範圍中,同時相鄰的帶狀區域會吹著相反方向的風。由於這些帶狀區域之間化學成分及溫度上些微的不同,導致了彩色帶狀區域顏色上 的差異,影響行星的外觀變化。淡色的地帶稱為區(zones);深色的地帶則稱為帶(belts)。木星表面這些條帶很早就已經被觀測到,但是在條帶交界地區複雜的漩渦現象則是第一次被航海家號所發現。來自伽利略號觀測探針的資料顯示,風的速度比我們預期還要快上許多久(超過每小時640公里),同時延伸的範圍達到整個觀測探針所能觀測的極限,它們可能甚至向下延伸到數千公里深而達到內部的深處。木星的大氣圈也被發現有著非常狂暴的特性,這顯示木星的風主要是受其內部的熱所驅動,而不是像地球一樣,主要是受到太陽能的照射所驅動。

    星雲層所具有這些醒目的顏色,可能肇因於木星大氣圈中一些微量元素的化學反應所造成,這其中可能包括了 硫元素在內,這是因為硫化合物有著多變的顏色之緣故,只不過細節的部分我們仍然不清楚。

    些雲層的顏色同時與雲層所在的位置相關:藍色是在最低的地方,接著是棕色和白色,最高的地方則是紅色。有時候我們可以藉由上層大氣的破洞直接看到較低一層的大氣。

    紅斑(Great Red Spot ,GRS)是早在三百多年前就被地球表面上的觀察者所發現了 (它的發現通常歸功於十七世紀的卡西尼Cassini或是羅伯霍克Robert Hooke)。 大紅斑是一個大約12,000km x 25,000km大小的橢圓形,足夠涵蓋整整兩個地球那麼大, 其他較小但是相似的斑點則在接下來的數十年內陸續被發現。根據紅外線的觀測以及它旋轉的方向顯示, 大紅斑應該是一個高壓區域,它的雲層頂端很明顯地比周圍區域要來得高且寒冷, 這樣類似的結構同樣也出現在土星及海王星,不過迄今為止,我們還不知道為什麼這些構造可以這樣持續地存在這麼久而不會消失。

    星向外輻射進入太空的能量,要較其吸收自太陽的能量還來得多, 木星內部非常炙熱,核心可能有20,000K的溫度,這樣的熱量是來自 於行星內部緩慢的重力壓縮(gravitational compression)作用, 也就是所謂凱文-赫摩茲機制(Kelvin-Helmholtz mechanism)所造成 (木星並不會像太陽內部一樣進行核融合(nuclear fusion)的反應;這是由於木星太小, 因此木星的核心溫度太低而不足以引發核反應)。這些內部的熱可能會導致木星液態層間的 深層對流作用(convection),以及形成我們在地球上所觀測到木星雲頂的複雜運動現象。土星、海王星和木星在這方面的情況是極其類似的,只不過奇怪的是天王星的情況則不相同。

    星的直徑之大幾乎已經是氣態行星大小的極限了,這是因為如果在更多的物質被加入到木星之內時,由於重力壓縮的作用木星的半徑只會再有非常些微地增加而已。恆星之所以可以如此地巨大,其實是由於恆星內部真有核反應熱量來源所致(只不過木星還需要比目前大80倍以上的質量才足以成為一顆恆星)。

    星具有比地球還要強大的巨大磁場,它的磁力圈(magnetosphere)可以延伸超過6億五千萬公里之遠(穿越土星的軌道!)。(注意:木星的磁力圈並不是圓的,它在向著太陽的那個方向〝僅僅〞只有延伸數百萬公里遠)因此木星的衛星均是位在木星的磁力圈範圍內,這也許可以解釋了一部份在埃歐(Io)衛星表面上活動的形成原因。不幸的是對未來的太空旅行者或是先前伽利略號及航海家號的設計者來說,不得不注意木星周圍環境中受木星磁場所吸引的高能階粒子存在,這樣的〝輻射〞情況非常類似地球附近所發現的范艾倫帶(Van Allen),只不過能量要大得許多,甚至可以直接造成沒有防護措施的人類立即死亡。
    利略號的大氣觀測探針在木星環和最上層大氣之間新發現了一個強烈的輻射帶,這個新的輻射帶強度大約是地球范艾倫輻射帶的十倍,更令人驚訝的是,在這個新的輻射帶中,居然還發現了不明來源的高能量氦離子存在其中。

    星具有和土星類似的環,只不過比較暗也比較小(如右圖)。這些環的發現是完全未被預期的,只有二位航海家一號的科學家在飛行了十億公里遠後,堅持要看一下木星有沒有環的存在,即使只是匆匆一瞥也是值得的。其他人都認為要發現任何東西存在的機率可以說是零,但是他們發現了!這真是一項重大的發現,之後他們便利用地面天文望遠鏡的紅外線以及伽利略號的觀測獲得了木星環的影像

    同於土星的是木星環非常地晦暗(反照率albedo大約0.5),他們可能是由非常小的顆粒岩石材質所組成。同時不同於土星環的是這些物質中並沒有冰的存在。

    星環的粒子可能不會在那兒停留太久的時間(由於大氣圈及磁力的吸引)。伽利略號太空船於是發現了清楚的證據顯示,不停地有活躍的小隕石由於受到木星巨大重力場吸引而撞上木星內側的四顆衛星,所形成的塵土則會持續補充到木星環的位置。而位於最內側的黑羅環(halo ring)則同時因為受到與木星磁場交互作用的影響而加寬。

    1994年的7月,舒梅克-李維九號彗星(Comet Shoemaker-Levy9)撞上了木星而形成了壯觀的景像(左圖),撞擊的結果甚至連業餘的天文望遠鏡觀測都清楚可見,至於撞擊之後所產生的碎屑,在一年之後仍舊可以在哈伯太空望遠鏡的觀測之中發現。

    傍晚的天空中,木星往往是夜空中最明亮的"星星"。(它的亮度僅次於金星,只不過金星極少在黑夜中出現),只要用一般的雙筒望遠鏡就可以看見四顆伽利略衛星,同時木星帶狀的表面和大紅斑也只要小型的天文望遠鏡就可以看見。有好幾個網站有顯示木星(以及其他行星)目前在太空中的位置,一些天文儀的程式(像是Starry Night)則可以描繪出更詳盡的資料及星圖,大家可以多加利用。

木星的衛星

木星已知有16顆衛星,其中4顆較大的伽利略衛星和12顆比較小的衛星。此外再加上一顆最近才發現更小的一顆衛星,不過目前尚未得到證實。
             距離     半徑     質量
  衛 星    (000 km)   (km)     (kg)     發現者     日期
---------  --------  ------  -------  ----------  -----
Metis           128      20  9.56e16  Synnott      1979
Adrastea        129      10  1.91e16  Jewitt       1979
Amalthea        181      98  7.17e18  Barnard      1892
Thebe           222      50  7.77e17  Synnott      1979
Io              422    1815  8.94e22  Galileo      1610
Europa          671    1569  4.80e22  Galileo      1610
Ganymede       1070    2631  1.48e23  Galileo      1610
Callisto       1883    2400  1.08e23  Galileo      1610
S/1999 J 1     7400       ?           Spacewatch   1999
Leda          11094       8  5.68e15  Kowal        1974
Himalia       11480      93  9.56e18  Perrine      1904
Lysithea      11720      18  7.77e16  Nicholson    1938
Elara         11737      38  7.77e17  Perrine      1905
Ananke        21200      15  3.82e16  Nicholson    1951
Carme         22600      20  9.56e16  Nicholson    1938
Pasiphae      23500      25  1.91e17  Melotte      1908
Sinope        23700      18  7.77e16  Nicholson    1914
較小衛星的資料是採估計值。

木星環

          距離        寬度   質量
 環       (km)        (km)   (kg)
----      --------   -----  ------
Halo      100000     22800   ?
Main      122800      6400  1e13
Gossamer  129200    214200   ?
(距離是從木星中央計算到環的內緣)

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Bill Arnett; last updated: 2000 Dec 30