木星的光环系统（下）

2016-03-10□刘炎

天文爱好者 2016年11期

关键词：薄纱木星飞船

□ 刘炎

木星的光环系统（下）

□ 刘炎

图1 在前向散射光中呈现的晕环假彩图像。（伽利略飞船摄于 1996年11月8日）

晕环

主环之内是木星的晕环，它是木星环系的最内圈、最厚的一个环带，其外边界与主环的内边界在半径122,500千米（1.72RJ）处交叠在一起；而内边界则比较清晰，位于半径约100,000千米（1.4RJ）处。但在更接近木星的区域，直至92,000千米（木星的赤道半径为71,398千米）附近也还发现有晕环物质的存在。由此，晕环的宽度约为30,000千米。

晕环的表面亮度要比主环低得多。与主环类似，晕环也是在正向散射光线中最亮。图1就是由伽利略号轨道探测器在正向散射光线中拍摄的晕环图像。

晕环厚度由外向内，向着木星中心的方向快速增加，但纵向延伸的实际厚度究竟是多少至今也不太清楚，然而至少在晕环对称面两侧的10,000千米处还能探测到晕环的物质。

晕环的亮度分布也并非均匀，主要集中于对称平面处；向着两侧则快速地降低，其规律也是一种指数的形式：与z-0.6至z-1.5成正比例，其中z是离环面的垂直高度。

由凯克天文台和哈勃太空望远镜在背向散射光线下观测到的晕环外形与前向散射光观测的基本相同，但亮度更集中于环平面处。

晕环的光谱性质与主环不同，其在0.5～2.5微米波长范围内辐射强度的分布要比主环的平坦，因此晕环的颜色不会偏红，而很可能甚至是蓝色的。

由晕环的光学性质可以推测，其中尘埃粒子的尺度小于15微米，而在远离环平面的区域甚至还可能含有亚微米尺度的尘埃。由此可以解释晕环较强的正向散射、偏蓝的颜色以及未能在可见光波段见到结构物的分布等特性。

晕环中的物质很可能来自于主环，其形成的物理机制与主环的相同，参见本刊上一期“木星的光环系统（上）”一文的图7，只是晕环中物质的密度要小得多，而尘埃粒子的尺度则要稍大一些。

薄纱环

主环的外侧是薄纱环（Gossamer Ring）。薄纱环有两个，一个是木卫五薄纱环，一个是木卫十四薄纱环，它们分别得名于有关的两颗小卫星：木卫五（Amalthea）和木卫十四（Thebe）。

顾名思义，“薄纱环”就是像“薄纱似的环带”，不仅物质密度甚低，其外观的亮度也更弱。这两个环带的相互位置，并非是像两个大小不同的指环那样，小指环被嵌在了大指环的内圈；而是像两张薄饼那样，小薄饼被塞在了大薄饼的内层，形成一个“夹心的薄饼”，参见图2。

图2 木星光环系统结构的一个模型图，显示有四个主要组成部分，从内向外依次是晕环、主环和木卫五薄纱环（Amalthea Gossamer Ring）及木卫十四薄纱环（Thebe Gossamer Ring）。图中还画出了与这些环带密切相关的四颗木卫。为了简单起见，木卫十六（Metis）和木卫十五（Adrastea）画在了同一个轨道上，实际上木卫十六的轨道还要在木卫十五轨道之内约1000千米。

1.木卫五薄纱环

木卫五薄纱环（Amalthea Gossamer Ring）是一个扁扁的、有着大致是矩形横截面的暗淡结构物，宽度约53000千米，被包裹在薄纱环的内层。它的内边界紧贴在主环外围的129,000千米（1.80RJ）处，由于主环及其光晕的存在而难以明确界定。外边界则延伸至182,000千米（2.54RJ）的木卫五轨道处。

在外边界的木卫五轨道附近，环的厚度约为2300千米，向着木星中心的方向渐有减少。此薄纱环的亮度大约只有主环的三十分之一，最亮处在环的内边界，向外则不断减弱。亮度的垂直分布是由对称平面分别向上、下两侧增加，最亮处实际上在环带区的顶部边界和底部边界，而且往往是一个边界处的亮度要高于另一个边界处。

图3 图中亮区自右向左依次是木星内圈的晕环、主环及其外层的光晕，中部和左侧的暗带是薄纱环。薄纱环内层稍亮的光带是木卫五薄纱环，包裹在外侧的木卫十四薄纱环由于更暗而很难看出，只有经过图像反差的增强处理后才能显现出来。（伽利略号飞船于1996年11月9日拍摄）

图3是伽利略号飞船在前向散射光中拍摄得到的薄纱环图像。

2002～2003年期间，伽利略号飞船曾两次穿越薄纱环。在这期间飞船的尘埃计数器检测到尘埃粒子的尺度在0.2～5微米的范围内。此外，伽利略号飞船的星体扫描仪在木卫五薄纱环的近处检测到若干离散的小客体（＜1千米），这些可能是木卫五受到碰撞后产生的碎片。

由地面的以及伽利略号飞船的图像观测和对尘埃物质的直接测量，已经可以定出木卫五薄纱环中粒子尺度分布的规律，看来与主环中的情况相似，也有着幂律谱的形式：幂指数q=2±0.5。木卫五薄纱环的光学厚度为10-7，要比主环的低一个量级，但所含尘埃物质的总质量却与主环差不多，也是107-9kg。

现在一般认为，木卫五薄纱环中的物质主要来源于木星的内卫星木卫五，此薄纱环因而得名。

2.木卫十四薄纱环

包裹在木卫五薄纱环外圈的木卫十四薄纱环（Thebe Gossamer Ring）是木星环系中最暗淡的一个环带,宽度约97000千米，这也是一个横截面大致是中空矩形的结构物。环带内边界与木卫五薄纱一样，也是紧贴在主环外围的129,000千米（1.80RJ）处，由于主环及其光晕的存在而难以明确界定；外边界则延伸至226,000千米（3.11RJ）的木卫十四的轨道处。

木卫十四薄纱环的厚度在外边界处约为8400千米，向着木星中心的方向渐有减小。其最亮的部分也在环带区的顶部边界和底部边界处，而且越接近木星中心方向则越亮——这与木卫五薄纱环的情况十分相像。

现在一般认为，木卫十四薄纱环中的物质主要来源于木卫十四，此薄纱环也因而得名。

3.木卫十四延伸

木卫十四薄纱环的亮度还一直延伸到木卫十四轨道之外的280,000千米（3.75RJ）附近，延伸部分的宽度约有54000千米，被称为“木卫十四延伸”（Thebe Extension）。

在正向散射光线下观测，此延伸带的亮度比木卫十四薄纱环还要暗淡，只是后者的三分之一；而在背向散射光线下，亮度更暗弱到只有凯克天文台的巨型望远镜才能勉强探测到。

2002～2003年期间，伽利略号飞船的尘埃计数器检测到尘埃粒子的尺度在0.2～5微米的范围——这与木卫五薄纱光环的情况也十分相似，由此也可认为伽利略号飞船对木卫五薄纱环的图像观测结果是可靠的。

木卫十四薄纱环尘埃物质的总质量与木卫五薄纱环的也差不多（约为107-9千克），环带中粒子尺度的分布也是遵守幂律谱的规律，然而幂指数q＜2，要比木卫五的平坦一些。而在木卫十四延伸中，幂指数q可能还要小一些。

4.薄纱环的起源

薄纱环中尘埃物质的来源方式与主环和晕环的基本相同，分别来自于它们外侧的卫星，即木卫十四和木卫五，其形成的机制也是一样。

薄纱环厚度的尺度则由其母卫星在与轨道面垂直方向的漂移范围所决定，因为母卫星有一个非零的轨道倾角，在围绕木星的运转过程中，有时会在轨道平面之上，有时则在轨道平面之下，这一变动的范围大致与薄纱环的厚度对应。

现有的关于薄纱环起源的理论假设基本上可以自然地解释大部分的观测特性：矩形横截面、向着木星方向厚度的减小以及在环带顶部及底部边界处亮度的增强等等。

然而还有某些性质仍远未能解释，例如可能起因于木卫十四之外某些未曾见到的小天体的“木卫十四延伸环”及其在背向散射光中的某些可见结构等。

对于“木卫十四延伸”的一个可能的解释是源自木星磁层电磁力的影响。当尘埃粒子进入木星背后的阴影中时，就很快会失去部分电荷。由于很小的尘埃粒子也部分地参与行星的同步运转，它们在通过阴影区时就会向外运动，从而引起木卫十四延伸环的向外扩张。这种木星磁层电磁力的作用还可用以解释木卫五和木卫十四轨道之间粒子分布和环带亮度的一个环隙。

木卫六环

木星的一颗直径只有4千米的小卫星木卫五十三（Dia），在2000年被发现之后曾一度消失不见。有一种猜测认为，这颗小卫星（轨道半长径1257万千米）可能已经撞入临近的一颗比它大得多的卫星，直径为170千米的木卫六（Himalia，轨道半长径1145万千米），木卫五十三的毁灭将会形成木卫六的一个暗弱环带。当然这就需得假设，通过碰撞，木星有时候会得到，有时候又会失去卫星。2011年，新视野号飞船在飞经木星时果然在木卫六的近旁拍摄到了一个暗弱条纹——木卫六环（Himalia Ring），人们就认为这个环带很可能就是木卫五十三撞入木卫六后而形成的。然而在2010年和2011年，木卫五十三被重新发现——于是木卫五十三和木卫六环之间的可能联系被排除，不过这个木卫六的暗弱环带仍然可能与另外某一颗小卫星有关。

图4 新视野号飞船于2011年8月1日拍摄到的可能存在的木卫六环图像。

木星的环带和卫星

本文中提及的与木星光环系统直接有关的木卫有四颗，下表列出了这四颗卫星的名称和主要物理特征：

下图标示了这四颗卫星与光环系统四个环带之间的位置关系。

图5 四个木卫和四个木星环带的位置关系图。

图6 公元200年时的一座天神朱庇特的大理石雕像

这是四颗离木星最近的卫星，属于木卫中的“内圈卫星群”,在此也顺便介绍一下这几颗木卫的名称和来历。

这些木卫的英文名称也都是由IAU正式公布的，它们都来源于希腊和罗马的古代神话故事，而且都是与天神朱庇特（Jupiter）有关的女性人物。朱庇特又是木星英文名称Jupiter（同拉丁语：Jupiter）的中文名，是古罗马神话中的第三代主神，至高无上的众神之王。对应于古希腊神话中的众神之王宙斯（Zeús）。

最初由伽利略发现的那四颗木星卫星——伽利略卫星，在1610年之后不久便由德国的一位天文学家兼医生西蒙•马里乌斯（Simon Marius，1573－1624）用希腊-罗马神话中朱庇特的四个情人的名字命名为Io（伊俄，木卫一）、Europa（欧罗巴，木卫二）、Ganymede（伽尼米德，木卫三）和Callisto（卡利斯托，木卫四）。200多年来，这四个名称一直为世界各国的天文学家们所接受和使用。1975年， IAU要为已发现的木卫五至木卫十三起名，提出了对新发现木卫的命名规则：沿用以往的惯例，必须是天神朱庇特（宙斯）的情人或喜欢的女性人物。但随着被发现的木卫越来越多，自2004年后，又把命名的范围扩大到这些人物的后代；因此在木卫三十四之后，卫星都以朱庇特或宙斯的女儿命名。

与木星光环系统有关的四颗卫星的名字是：

木卫五：Amalthea（阿玛尔忒亚）：

朱庇特的养母，在克里特岛上的水泽仙女。受第二代天后瑞亚（Rhea）的托付，她与另一位水泽仙女一起抚养了婴儿时期的朱庇特。她有一头十分宠爱的山羊，就用山羊的奶哺育朱庇特。

朱庇特（宙斯）是第二代主神克洛诺斯（Kronos）之子。克洛诺斯的父亲，第一代主神乌拉诺斯（Uranus）曾经预言：克洛诺斯将会被自己的儿子推翻。由于一直担心自己的孩子长大后会推翻自己，克洛诺斯就将前面五个新生孩子都一个一个地吞吃了。朱庇特出生时，克洛诺斯的妻子，天后瑞亚（Rhea）怕这次又会被克洛诺斯吞吃，就到地中海克里特岛的迪克特山偷偷生下朱庇特，把他藏匿一个山洞里，并委托那里的两位水泽仙女秘密抚养。

所谓水泽仙女（Nymph），是希腊神话中次要的女神，她们都是第二代提坦大神俄刻阿诺斯和忒堤斯的女儿，一共有三千个。俄刻阿诺斯是主管大洋河海的海神，他的每一个女儿也都代表着一条小溪、河流、水潭、湖泊甚至大海。她们身着白色衣装，住在潮湿岩洞，奔跑如风，快乐迷人；有时被称为精灵和仙女，有时又被视为妖精。

木卫十五： Adrastea（阿德剌斯忒亚）

也是朱庇特的养母，克里特岛上的水泽仙女。她与Amalthea（阿玛尔忒亚）一起受天后瑞亚的托付，抚养了婴儿时期的朱庇特。

木卫十四：Thebe （底比斯）

主神朱庇特的一个情人，埃及国王的女儿，也是第三代天后朱诺（Juno，对应于希腊神话中的赫拉）的女祭司伊俄（Io）的外孙女。埃及的底比斯城就来源于她的名字。

木卫十六：Metis（墨提斯）

水泽仙女之一，主管海洋的大洋神女（Oceanids），也是一位智慧和计谋之神。幸存的朱庇特在她的帮助之下最后终于推翻了自己的父亲克洛诺斯。墨提斯还设计让克洛诺斯吃了一种药酒，迫使他把以前吞下的五个孩子——波塞冬（Poseidon）、哈得斯（Hades）、赫拉（Hera）等全都吐了出来。

后来她又成了朱庇特的第一位伴侣，是智慧女神和战争女神雅典娜（Athena）的母亲。

新的探索

木星光环的发现至今已有30多年，现今，人们对木星的光环系统虽然已经有了一个基本的、粗略的认识。但是还有更多的疑谜有待进一步去探索。

就在笔者开始撰写本文的时候，传来了一个新的好消息：7月4日，早在2011年8月5日发射升空的朱诺号（Juno）飞船已进入了木星的轨道，开始对木星进行新的探测。朱诺号飞船是美国宇航局“新疆界（New Frontiers）”计划的第二艘飞船，是继伽利略号飞船之后的第二艘专用的木星探测器。“新疆界”计划的第一艘飞船是新视野号，在2007年2月至3月期间，曾飞掠木星，首次拍摄到了主环的精细结构。

朱诺号飞船又是一艘新一代的探测器，此后将要进入木星的极轨轨道绕飞37周，进行20个月的近距探测，我们可以期望，关于木星的光环系统，一定也会取得许多令人惊异的新发现！