互动科普

没有几位科学家认为被技术问题所困扰的伽里略号太空飞行器（木星轨道探测器）能够对木星系统进行范围如此广泛的研究。也没有几个人预测到这些世界的内部结构是如此的丰富多彩。

在木星轨道探测器飞行任务之前，没有任何人类的手触过的物体曾经与一个巨大的气态行星接触过。这个太空飞行使一个探测器正好下落到它的赤道北面的大气内，就是在以该探测器作为目标而拍摄到的这哈勃空间远镜图象显示的位置上。该探测器落下的过程持续了一小时，在毁于高温与高压以前(右边的一系列示图)。它测量了在气层中的成分。据认为原始的太阳系成份与太阳外层的组成相同。

木星轨道探测器在1997年初所观察到的椭圆形的云。它们把一片梨形区域夹在中间。椭圆形区域逆时针旋转：梨形区域顺时针旋转。在这幅由3个近红外图象组成的假彩镶嵌图上，浅蓝色的云较薄，白色的云较厚，而淡红色的云则较深。一年后，椭圆形区域融合在一起，这是木星的不断变化的天气的一个生动的例子。各个椭圆形区域大约宽9，000公里。

大红斑是一个巨大的暴风系统，它在高耸的周围的云上大约30公里处。从红到绿到蓝的颜色编码表示对甲烷数量的敏感性沿着视线逐渐减弱，从而，淡红色区域与白色区域是最高的，浅蓝色区域与黑色区域是最深的。风暴大约为26000公里长。它可能起因于该行星的强大的东西向气流。画家的描述把垂直的比例尺夸大了1000倍。

闪电的闪光出现在对木星暗侧拍摄的这些图像中来自木星的月光朦胧地照射氨云层。闪光可能发生在以下100多公里深的水云闪电大约以和地上的雷暴相同的速率发生，但是亮度大100倍。各个图像显示于一个相当大的区域。

为了节省能源，探测器在飞行中保持无线电静默，只有一个小时钟在倒计时剩下的秒数，它的伴随太空飞行器在其上方21万5千公里处准备接受它传递的信号，在地球上的工程师与科学家们也在等待着两个关键性的信号，其中许多人在这20年中的大部分时间都在从事与这一项目有关的工作。第一个信号只是一个数据位“是”或“否”，表明这个小探测器猛地进入木星的厚重大气层后是否还保持完好。

对于伽里略木星轨道探测器的飞行使命来说，达到这样一步是很不容易的。20世纪70年代中期，研究人员设想这个由两部分组成的无人驾驶太空飞行器应该在1982年发射，由航天飞机送入地球轨道，并由特制的上面一级火箭送到木星。但是，由于第一架航天飞机发射中的意外事故与上面一级火箭研制中存在小问题，使得预定计划延后了。接着而来的是1986年的挑战者号不幸事件，它发生在正准备发射伽里略号的时候。这些情况迫使工程师们改为使用一种较为安全但推力较弱的上面一级火箭，从而不得不设计一个煞费苦心的借力飞行子路线，通过与金星和地球密切会合的方法来提供新火箭不能提供的助推力。从1989年10月发射起，这次飞行花了6年的时间，飞行两年后，当像伞一样的主要通讯设备天线不能展开肘，灾难再次发生，使这个太空飞行器只剩下一台功率较低的后备天线可用(参见本刊1996年第4期Torrence V. Johnson所著的“伽里略号的使命”)后来，磁带记录器——储存数据的主要部件逐渐卡住了。

当工程师收到的这个“黄金位”证实该探测器仍在运行时，控制室内响起了欢呼声，紧张状态才开始有所缓和。但是研究小组还必须为第二个关键性的事件再等两个小时:伴随的太空飞行器进入轨道。为了使它从星际巡航速度减到足以让木星的引力俘获它，工程师发出指令让德国造的主发动机点燃45分钟。终于有消息传来说操纵成功了。这个轨道飞行器成了这颗巨大行星的第一个己知的人造卫星。

自从1995年12月的这一天以来，一项曾经似乎注定要失败的飞行任务使研究人员对木星系统第一次有了详细的了解，这是在70年代先驱者号与放行者号宇宙飞船飞近天体的探测中被短暂揭示过的。这个大气探测器进入千变万化的云中，成为第一个在外层行星大气现场取样的探测器，并在毁灭于气体深处以前传送了一个小时的数据。轨道飞行器仍在有效地工作。它对木星、它的光环与各种各样的卫星进行了拍照与分析。最著名的是，它证实了液态水的海洋潜藏在木卫二的里面。(木卫二是伽里略1610年发现的4个天然卫星之一，参见Robert T. Pappalardo，James W. Head与Ronald Greeley所著的“木卫二隐蔽的海洋”:本刊2000年1月号)。但是其它的大卫星显示了它们也有令人惊奇的东西:连接太阳系中火山活动最猛烈的天体——木卫一与木星的电子束;木卫三内产生的一个磁场，它是在卫星上发现的第一个这样的磁场;还有木卫四的难解的秘密，其中包括它也有一个海洋的征兆。

所有下沉气流的源泉

按照行星形成的现代理论，木尾与其它的巨行星是从最初的太阳星云分两个阶段演化来的。首先，冰质星子——基本上是由气体与尘埃构成的云冷搬出来的大彗星——聚集成一块。然后，当原行星长到某一临界尺寸时，它扫除直接来自星云的气体。木星于是从太阳系的原材料的样本开始，而后者大致具有与初期的太阳相同的成分。从那时起，该行星就是在诸如像内部演变与彗星材料不断加入这样的过程中形成的。弄清这些过程是这个大气探测器的主要目标。

也许该探测器最不可思议的发现就是所谓的可以冷凝的物质，它们包括如像氮，碗，氧与碳这些元素。科学家们早就知道，木星具有的碳是太阳的3倍（以甲烷气体的形式）。据认为其它物质（以氨，硫化氨与水的形式）则冷凝与形成各种深度的云层。在云的微滴中的杂质（可能是硫或磷）使各层的颜色明显不同。该探测器被设计成能够下降到最低的预测云层（被认为是一种在约为5至10个大气压下的水云）之下，在上部的氨冰云下大约100公里，天气预报将是多风、多云、高温和潮湿。

但是这些仪器没有检测到云的证据，只检测到在1.6个大气压下的光雾，水与硫并不充足，闪电检测器——基本上是一个调幅(AM)收音机（用于收听静电脉冲）一只记录到微弱的放电。简而言之，它的天气是晴朗而干燥的。因此，什么东西使预测失误了呢？很快找到了答案。来自地基望远镜的红外线图象发现，该探测器无意中到达了一个称为5微米热斑的特殊类型的大气区域——来自较低与较热层上的红外辐射得以泄漏出来的一个空旷区。木星有许多这样的区域，并且它们不断地变化，所以不可能把遇到或避开它们作为该探测器的目标。

但是，虽然碰巧（不论好歹）阵落在一个热斑内，却仍然没有完全解开这个秘密。科学家们期望，即使在这些地区内，该探测器达到的深度上的气体将与整个大气层中的正常成分一致，如果是这样的话，木星只有数量异常低的如像氧与硫这样的元素，但是没有任何人提出一个将如此有效地排除这些元素的过程。另一种可能性是热斑的成分不同于大气平均成分，也许是由于来自上部大气层的寒冷而干燥的气体大规模下沉的缘故。

后一种理论有其自身的问题，但是当前似乎它是更可能成立的解释。差不多就在该探测器停止传送信号以前，水、氨与硫化氢的浓度在开始迅速上升——就像该探测器在接近下沉气流的底部一样。另一个著名的热斑的轨道飞行器图象表明，来自各个方向的风会聚于热斑的中心。轨道探测器频谱表明，水与氨的丰度在不同的热斑间相差100倍，证实了当地的气象条件决定该大气层的详细组成这种想法的详细组成这种想法。

天气预报中只有“多风”这一点业已证明是正确的。木星的云带与高速喷流有关，即总是以每小时几百公里的速度吹过的西风与东风。地球上的类似的风在地表附近逐渐减弱。木星上没有表面；风速变化情况取决于何种能量在大气层处于支配地位。如果内部能量(如像在引力作用下的缓慢收缩)处于支配地位，风就会保持强劲的状态，并且随深度增大。如果外部能量(如像目光)是主要起作用的因素，那么相反的情况就会发生。科学家们通过追踪该探测器的无线电信号确定，风最初随深度迅速增大，然后保持恒定——表明木星的大气是由内部能量所驱动的。

有一些雨必定落到各个行星上

虽然该探测器只检测到闪电的微弱的线索，但是轨道探测器看见了照亮巨大雷暴中的云层的闪光。木星轨道探测器像旅行者号一样发现闪电只集中在纬度上的几个地带内。这些地带是反气旋式切变地区：风速从北到南突然变化，产生湍流的、多风暴的环境。就像在地球上一样，闪电可能发生于水云中，这种水云的部分冻结的冰粒在湍流中急速升降，使正电荷与负电荷分开。可以根据云层上被照亮的光点来估计闪电发生的深度是多少；光点越大，放电的深度就越大。木星轨道探测器推断，闪电确实发生于预计水云就在那里形成的大气层中。

在毁于高压与高温之前，该探测器费了九牛二虎之力才在通向木星中心的路途上下降了0．1％的距离。尽管如此，它的一些测量结果仍暗示在下面较深处发生了什么。惰性气体一一氦(在木星上仅次于氢的第二种最多的元素)，氖、氩与氙——它们的浓度是特别有启发性的。山于这些气体不与其它元素发生化学反应，它们是该行星内物理状况的相当清楚的指示物，氦的浓度极有指示作用，因此伽里略大气探测器载有专用于测量它的仪器。

旅行者号获得的红外线光谱表明，木星含有比太阳在比例上少得多的氦，这表明某些东西必定从上部大气层中排出了这种元素。但是，木星轨道探测器发现，木星的氦含最几乎与太阳外层相同。这一结果仍然要求有某种过程从木星的大气层中除去氦，因为太阳的外层本身已经失去了氦。但是在该行星的历史中，这一过程开始的时间必定晚于研究人员所认为的。木星轨道探测器也发现，它的氖浓度只是太阳的氖浓度的十分之一。

这些结果都证实了曾经引起争论的关于木星的内部深处被氦雨淹浸的假设。在那里，氦在富含氢的大气层中成为不混溶物，它在高压数百万倍于地球上的海平面压力下可以被看做一个海洋。山于较重，氦逐渐向木星的中部沉积。在某些条件下，氖溶解在氦的雨滴内。氦也可以在土星上析出，而木星上氦的减损可能更激烈。经过几年的分析以后，研究人员最近宣布了其它惰性气体的丰度。与太阳的成分相比，氩、氪与氙被富化的倍数大约与碳和硫相同。这也是一个谜。要使木星捕集的这些气体达到推断出的数量，唯一方法是使它们冻结——就木星当前与太阳的距离来看，这是不可能的。所以，构成木星的大部分材料必定来自较冷的和更远的地区。木星本身也许是在离太阳更远处形成的（见Renu Malholra所著的“行星的徙动”，本刊1999年l2月号）。

木星历史的最后线索来自对氘的测量结果，氘是氢的重同位素之一一。它在木星上的浓度与在地球上的相似，并且显著不同于彗星上的或地球海洋中的氘的浓度。这一发现表明，彗星对木星大气成分没有多大影响，尽管当它们偶然相遇时会产生壮观的效果，就像在1994年ShoemakerLary9碰撞期间所显示的那样。

火的世界

该轨道探测器将探测器数据转发到地球后，它开始了它的木星系统之旅——截至目前为止，总共绕木星飞行26次，并多次飞越4个伽里略卫星中的各个卫星。注意点在木卫二上，它的表面地质学与其它特征表明，在木卫二的历史上的某个时候(可能在地质上处于最近的过去年代)，在冰下存在一个液体海洋。而其它卫星也没有被忽略。

最里面的伽里略卫星是木卫一，在旅行者号两次飞越期问，它的外观被拍摄了下来。来自那些太空飞行器的最初的照片展示了一个非常年轻的表面，它是太阳系中唯一的一个基本没有撞击陨石坑的表面。后来为了航行的目的而摄取的图象偶然拍摄到了喷出的巨大火舌卷流。随后的观察证实木卫一被火山活动所毁坏。它具有地球的卫星的尺寸，但是喷出的熔岩比地球喷出的多100倍(见Torrence V．Johnson与Laurence A．Soderblom所著的“木卫一”，本刊1984年4月号)。

木星轨道探测器考察木卫一的时间少于其它卫星，主要是山于太空飞行器所面临的危险。木卫一处于木星的强烈的辐射带内。木星轨道飞行器刚好在1995年进入轨道前飞到离木卫一表面的900公里内，但是直到去年10月，当它的飞行使命大部分被完成，并且科学家们感到可以冒更大的风险以后，它才再次飞往木卫一。虽然担心在1995年飞近期间容易卡住的磁带记录器出问题而不得不取消了成像与光谱分析，但是粒子检测器与磁强计仍然在工作。

它们发现木卫一周围的空间决不是空无所有的。它充斥着由火山爆发出来并由木星的磁场搅动的亚原子粒子。电子束沿着连接到木星大气层的磁力线行进；密集而冷却的等离子体充满被扫过的磁力线留在木卫一后面的尾迹。每当木卫一通过木星的阴影的时候，木星轨道探测器就可以观察到木卫一由稀薄的一圈发光气体勾画出来，这一光环是由来自木星磁层的电子碰撞照亮的。简而言之，木卫一被相当于太阳系中的最大电路紧密连接到这个巨大的行星上。

在木星轨道探测器的大部分探测．时间中，它都是从安全的距离上研究：木卫一的扭曲的表面。根据火山以不同可见光波长与近红外线波长发光的亮度大小，它推断了它们的温度，这对于确定熔岩的成分来说是一项关键性的测量结果。在地球上的大部分火山喷出含有玄武岩成分(铁，锰与橄榄石和辉石这样的矿物中富含的硅酸钙)的熔岩。玄武岩熔化的温度范围一般为l300至l450开氏度(1050至l200℃)可是，几年前对木卫一的望远镜观察结果认为它的温度为l5oo至1800开氏度。这些温度排除了在低温下熔化的物质，如像液态硫，以前它被认为是木卫一上的主要火山液体。

当木星轨道探测器的测量结果送过来时，这个谜就更加不可思议了。木卫一上的熔岩实际上是I700至2000开氏度。这么热的岩浆在3O多亿年的时间里在地球上是不常见的。因而木卫一也许使科学家们出乎意料地看到了地球的地质上的青少年时代，那时它的内部温度比较高，上部地幔不同于现在的样子。

当去年秋天木星轨道探测器最后返回到木卫一时，该飞行使命的研究小组还不能确定该太空飞行器是否会经受住辐射。在它有一次经过木卫一时，就在到达木卫一前的4个小时，它使获取数据的程序自动失灵，而研究小组在采取补救措施后只剩下数分钟的时间。几个仪器也受到了损害，但是所有的仪器都继续工作，并在最后传回了惊人的数据。终于靠近拍摄到了木卫一的活火山的图象。

在它自己的磁场内

木星轨道探测器的主要发现之一就是在它第一次与木卫三(木星的最大卫星)在轨道上相遇时做出的。在太空飞行器达到它的最近点前大约半小时，用来记录周围电场的无线电噪声仪器开始记录到杂乱的噪声。在大部分木星系统中都相当安静的背景噪声无线电信号突然变成了一个活动的复杂射频谱。这种活动在45分钟内仍是激烈的，然后它就像开始时一样突然停止。当无线电噪声开始出现时，磁强计读数突然增大5倍。

载有类似仪器的太空飞行器进入与离开地球、木星、土星、天王星与海王星上的磁层时，等离子体研究人员以前也看见过这类信号。随后的两次飞近木卫三证实了他们的猜疑：这个卫星已被磁化，产生类似于这些行星磁场的偶极磁场。其它任何卫星都没有这样的磁场。地球的卫星与火星过去可能有过一些磁场，但是当前它们显示出只是在有限地区才有表现表面上的磁化岩石的磁性变化。木卫三像一套俄罗斯玩偶，有一个被包围在木星的巨大磁畴内的磁层，而木星本身的磁畴又被嵌镶在太阳的磁畴内。

跟踪太空飞行器的信号使研究人员得以探测木卫三的重力场，因而能够推断它的内部结构。他们得出的结论是：它可能有一个半径大约为1500公里的致密的核心，周围的冰层为700公里深。地质化学模型表明，核心由一圈包封在岩石中的铁或硫化铁构成。这种内部的金属核心产生偶极磁场。

但是理论家们没有多大把握。虽然科学家们将行星的磁场比作条形磁体，但是这种比拟可能使人误解。在一个行星(或大的卫星)的中心部位将因为太热而不能保持一个恒定的磁场。据认为代替一个磁场的是一种对流的导电液体。木卫三的模型表明，它的内部热得足以熔化铁或硫化铁。但是同一模型表明，当核心逐渐冷却时，对流将停止；对流所要求的条件只应该持续lO亿年左右。

对这一问题的答案可以在内部的3个伽里略卫星的轨道共振中找到。木卫一环绕木星轨道正好每转4次时木卫完成2转，木卫三完成l转。就像与自然摆动周期同步地推动儿童秋千一样，这种叠合使小的力积累成显著的结果：在这种情况下，就是使那些轨道从一开始时的圆形变为更长的椭圆形。它对卫星的影响是意义深远的。因为它们与木星的距离在不断变化，木星引力的影响将增大与变小，并且以永远不同大小的力吸引这些卫星。称作潮汐加热的这一过程引起木卫一上的火山活动，并且使推定存在于木卫二上的海洋不致冻结。

研究人员习惯于认为潮汐加热对这3个卫星中最远的木卫三意义不大。但是现在他们认识到这些轨道也许已经随时间而改变。结果是与现在相比，共振也许曾经更强，木卫三的轨道受到的干扰更多。木卫三表面上巨大断层系统可能记录了它的急剧加热的早期状况。如果是这样的话，该卫星就正在冷却，并且它的核心可以不断产生磁场。

与火红色的木卫二、木卫一与木卫三相比，最外层的伽里略卫星：木卫四一直被认为是多少有些浅褐色的。在“旅行者”号拍摄的图象上，它集中体现了对冰质卫星的传统的看法：一个古老的、冰冻的与有记号的泥球。但是木星轨道探测器的观察结果却在讲述一个不同的故事。

古老但未必单调

木卫四被大而密集的裂痕覆盖，其范围从直径12公里的坑到称为Valhalla的变余结构，它大约有1500公里宽。它的表面被认为可以回溯到40多亿年前行星与卫星形成后留下的陨星与彗星的残骸雨。在这种意义上，木卫四的确是古老的。但是靠近观察，木卫四的表面则被细粒的与深色的残骸所覆盖。其它天体上大量存在的小火山坑基本上是不存在的。表面特征好像被软化与侵蚀。显然，一些年轻的过程在起作用。已经提出的这些想法包括细小尘埃的静电漂浮作用(它将让尘埃“流”过木卫四表面)与冰从卫星表面蒸发，留下颜色较深的不易挥发物质。迄今还没有任何说明是令人满意的。

令人感兴趣的是，近红外光谱不仅显示了预期的水冰与水合矿物质，而且也显示了近4微米波长处的4个异常的吸收特征。一个似乎是地表中的二氧化碳，可能是夹杂在冰粒子中或者是辐射对地表的损害所产生的气泡。两个其它的光谱特征可能代表表面中的硫，它可能源于火山的喷出物。第4个光谱特征是最奇特的。它的波长与碳-氮键吸收的波长相吻合。实际上，被已故的Carl Sagan称为tholins的复合有机分子的实验室光谱是相似的。据认为tholins类似于太阳星云中的有机物质；星际冰尘粒云有类似的光谱。总之，这些数据提供了冰质卫星含有在早期的陨星与彗星中常见的碳、氮与硫化合物的第一个直接证据。这些物质也是对生命具有最重要意义的一些物质。

木卫四的内部结构也显示了它的表面所展示的既老又年轻的特征。木卫四不像其它的伽里略卫星，它似乎更像一个均匀致密的天体，表明它的大部分岩石与冰是混合在一起的。核心存在的可能则被排除了。所以，它的内部从未被放射性衰变或被潮汐加热过。该卫星没有参与搓揉其它伽里略卫星的轨道共振。

从另一方面来看，木卫四远远不是静滞的。就像木星轨道探测器的磁力计所发现的，木卫四似乎以一种特殊的方式干扰周围的磁场。这种干扰不像木卫三的干扰，而是类似于一个空心的铜球受到一个变化磁场作用的经典物理实验中所看到的干扰。在这样一个实验中，球体的导电壳层内产生电流，电流又产生正好抵消外加磁场的磁场。木卫四的磁场似乎是以完全相同的方式引起的。

但是什么东西能够形成导电层呢?岩石，冰与电离层的粒子是不良导体。研究人员只剩下一种可能性可以考虑(这种可能性不久前还似乎是荒谬绝伦的)：含盐的海水。海水是一种弱的导体，它具有正好可以解释测量记录的特性。一个几万公尺厚的全球性液体层可以产生能观察到的特征。差别不甚大的内部与全球性海洋的证据结合在一起对理论家们提出了一个严重的挑战。木卫四必须热得足以支承一个海洋，但又不至于热得使轻的物质与重的物质分开。该水层可能被夹在辐射加热的木卫四内部(对流在那里使物质混合)与一个薄的冰壳层(一个不同的对流循环使海洋冷却)之间。人们对木卫四的了解就只有这样多了。

虽然木星轨道探测器的大部分飞行使命涉及研究四个伽里略卫星，但是该轨道探测器没有忽视木星族中较小的成员。它的摄象机按照与木星距离的顺序依次拍摄了它内部的4个小卫星中的每一个——海神星、木卫十五、木卫五与木卫十四。一个主要的发现是，这些小卫星直接产生了木星的环。当太空飞行器处于木星的阴影内时，拍摄了一系列特殊的照片，使太阳能够逆光照射构成这些环的微小尘埃粒子。这些照片不仅展示了主要的环与1979年“旅行者”号所观察到的轻而薄的环，而且也首次揭示了轻而薄的环的复杂结构。它是由与木卫十五和木卫十四的轨道直接有关的多层的环组成的。因此，这些环可能是由微小的流星体碰撞这些卫星后撞出的微小碎屑组成的。(编者注：一篇即将发表的文章将较详细地探讨这些环。)

木星轨道探测器所搜集的数据使科学家的有关木星及其卫星的观点发生了巨大的变化，即我们开始将其看作复杂性可与太阳系本身相比的一种行星系统。“旅行者”号飞近它们提供了首次令人兴奋地匆匆观察木星及其卫星的机会，但是只有像木星轨道探测器所能做的这种集中的详细探测才能揭示如像“雷暴云”与“冰质卫星”这类似乎简单的范畴的细微差别与界限。不久以后就会轮到土星进入这一新的探查阶段了。另一个二合一的太空飞行器——卡西尼-惠更斯号——将在2004年到达那里。它提出的问题也可能多于它能回答的问题。