《自然》封面：朱诺号发现木星炫目的南北极气旋和神奇的内部结构

2016年7月4日，朱诺号探测器成功进入木星轨道。转眼一年半过去，如今的朱诺号正在进行第11个探测周期，并将于今年6月结束第一阶段共计12个周期的探测。

2018年3月8日，《自然》杂志一次发表了四篇论文[1-4]，介绍了朱诺号前6个周期的探测向我们揭开了木星的哪些神秘面纱。

图：朱诺号和木星。来源：NASA

1、南北极气旋：绚丽夺目，疑团重重 [1]

为了能够既尽量近距离地对木星进行观测，又最大限度避开木星的高辐射带对探测器的损害，朱诺号选择了沿着木星南北向的轨道飞行（这被称为“ 极到极轨道 ”）。这样的轨道允许朱诺号能够正面观测木星的南北极，这是之前的旅行者号和伽利略号都没有做到的。

不过即使朱诺号可以对木星南北极进行正面拍摄，可见光影像中还是一次只能拍到半个南/北极，这是由于木星的自转轴倾角只有3°，所以木星的极区始终是几乎一半是白天一半是晚上所导致的。这里告诉大家一个小技巧，如果你看到一张完整的木星极区可见光影像，那么这一定是多张影像拼接而成的，因为单次拍摄出来的一定有一半是黑的（阳光无法照射到），比如朱诺号的JunoCam相机拍摄的单张极区可见光影像长这样：

朱诺号于2018年2月7日拍摄的木星南极的一系列可见光影像，都只有半个极区可见。注意随着时间变化影像中朱诺号微小的变化其实体现的是朱诺号自身轨道的变化。来源：NASA

朱诺号每个探测周期长达53天，相当于每53天就最近飞掠木星一次，我们以每次最接近木星（Perijove ，简称PJ）的时间来标记每个周期。

朱诺号的JunoCam相机在前三个周期（PJ1-PJ3）的探测中就已经发现木星的南北极有大量看似非常凌乱的小型气旋（大小在200-140 km之间）[5]。但这次加入了用于拍摄极光的近红外成像光谱仪JIRAM获取的近红外影像后，科学家们惊讶地发现木星南北极的气旋也是“乱中有序”的，有着稳定的分布： 

• 北极：八个极区气旋环绕着一个极点气旋，直径在4000 - 4600 km之间；

• 南极：五个极区气旋环绕着一个极点气旋，直径在5600 - 7000 km之间。

这样壮观的八角星和五角星气旋分布目前为止尚未在其他天体上观测到过。

图：木星北极和南极区域可见光波段下的气旋分布，右列是4周期的拼接影像。注意由于地转偏向力（科氏力）的影响，几个大型的都是气旋结构（北半球逆时针，南半球顺时针），不过也有一些小型反气旋（北半球顺时针，南半球逆时针）夹杂其间 [1]

近红外波段下的影像中更显著，简直亮瞎眼。

图：木星北极（上）和南极（下）区域近红外波段下的气旋分布。颜色越深表示温度越低（云越多）。来源：NASA

放大看一下南北极气旋的高清局部，南极点气旋的中心非常奇特，其他气旋中心都是圆的，但南极点这个气旋的中心是一个眼睛的形状，可以说是有点吓人了……

图：木星北极（左，分辨率18 km/像素）和南极（右，分辨率25km/像素）的JIRAM近红外影像，是JIRAM在PJ4阶段分辨率最高的影像，图中已经可见一些小型反气旋结构。右图蓝框中就是这次发现的“南极之眼”[1]

这是人类首次清楚地看到木星南北极的大气结构，但这些气旋的成因和维持方式还完全是个谜。比如，不管是北极的八角形分布还是南极的五角形分布，这些气旋不仅自身的相对位置非常稳定，而且作为一个整体的移动都是非常缓慢的，这是为什么？再比如，构成八角形和五角形的这些气旋为什么没有合并？要知道，太阳系的另一颗气态巨行星——土星的南北极点都只有一个大涡旋而已。当然，这些变化只是朱诺号在2-3个周期（每个周期53天）内观测到的，100多天对于一个天体上的变化来说还是太短暂了，或许这些气旋正在慢慢合并，只是时间尺度太大，难以被人类观测到也是可能的。无论如何，这些都等待着科学家们的进一步解译。

土星北极和南极的气旋。来源：NASA

2、重力场：南北不对称性体现大气动态变化 [2]

南北极气旋虽然炫目，但这次最大的科学发现还是来自于重力场探测。重力分布反映了一个天体内部质量和密度分布，因此我们可以通过对重力信号的分析来推测一个天体的内部结构。木星的重力场是朱诺号探测器最重要的探测目标之一。

木星的固态内核是否存在？有多大？每一层有多深？每一层的转动速度是否一致？科学家们希望朱诺号可以给出答案。

朱诺号是如何探测木星重力场的？

通过测量朱诺号飞越木星过程中无线电信号（X波段和Ka波段）的多普勒频移，可以获取探测器的理论轨道和实际轨道的差异，这个差异就是实际重力场和理论重力场的差异引起的，通过这个差异来不断修正原有的重力场，可以获得更精准的重力场模型。朱诺号的极轨和近木点飞掠使得多普勒跟踪信号对重力场的变化更加敏感，得到的重力信号的也越精确。

左：多普勒频移探测重力场的原理示意图；右：朱诺号之前人们认为的木星内部结构示意图。来源：NASA

那么这种“更精确”是如何体现的呢？

我们通常把把重力信号分解为多个信号的和，展开的项数越多（分解成的子信号数目越多），这些子信号综合起来表达的结果就越接近真实的重力信号，我们把这些子信号的“编号”称为“阶数”，阶数Jn越高（子信号越多），对重力场的还原就越精确。

不同类型的子信号（也就是不同阶的J）还可以分别用来反映天体内部的不同特征，例如奇数项Jn可以用来反映天体内部分非对称性的物质分布（如大气等流动性部分的深度），而偶数项Jn可以用来反映天体内部对称性的物质分布（如刚体部分的自转和深度）。接下来两篇文章就是分别利用了这两个部分的重力信号，可以说是很会物尽其用了。

最新的重力场结果显示，木星的重力扰动表现出了显著的南北（纬度）差异。如果一个天体内部没有不规则的动态变化，它的重力场应当是南北半球对称的（也应该是轴对称的），因此这次朱诺号重力数据显示出的不对称性应当来自木星大气层和内部风的流动。

不仅如此，去掉了偶数项部分后的木星重力加速度扰动的的经向分布与风速梯度的经向分布显示出了强相关性，两者的最大峰值都位于纬度24°附近（看下面两张图是不是特别像？）。科学家们推测，这是木星中低纬深浅相间的条带和急流（jet stream）运动的结果，因此通过这些重力数据，可以反过来估算这些条带的深度，这就是下面一篇文章的主要内容了。

左：去掉了偶数阶部分的木星重力加速度扰动与纬度的关系，mGal是重力加速度的单位，1 mGal = 10^(-5) m/s2 ；右：风速的梯度与纬度的关系。两者的形状明显非常相似，且最大峰值都位于纬度24°附近 [1]

3、中低纬条带：你以为我很“肤浅”，其实我有3000 km深！[3]

木星中低纬区域最典型的特征是深浅交替的彩色条带（以及大红斑），不过这种深浅交替的条带结构并不是木星独有，外太阳系四颗大行星都有。

通常我们把深褐色的条带叫做带（belt）而把浅色条带叫做区（zone），深浅两种条带的运动方向和速度还不一样。深浅条带的边缘穿梭着东西方向飞驰的急流（jet stream）。

图：木星表面的深浅条带（带和区）。急流分布在深浅条带的边缘。来源：NASA

大气层和内部风这样的的不对称运动主要体现在重力场的奇数项信号中。朱诺号的重力场J3、J5、J7和J9项数据的进行的进一步计算显示：

虽然这些深浅条带看起来似乎是“漂浮”在木星表面上的薄薄一圈，但它们实际上非常深，像一条条的管道一样深深埋进木星大气层中，条带之间的急流最深可能深达云层（我们把木星大气压1 bar处定义为云层顶部）之下近3000 km。

不过虽然这么深，但这层“灵动飘逸”的大气层质量最多只占了木星总质量的1%（其实也不少了，3个地球那么重啊）。

↓ 视频体会一下这些“管道”的示（假）意（想）图

来源：NASA。翻译：haibaraemily。压制：尞祡。

4、木星的内部：绵软的外核，但保持刚体状态缓慢自转 [4]

上一节说到重力场的奇数项信号可以反映大气和风的运动，而重力场的偶数项信号则可以反映天体内部更深层的结构。

木星最内部到底有没有固态内核？科学家们一直争议不下。过去一些研究认为木星很可能有一个小而致密的内核（冰石混合物）甚至没有固态内核 [6]。另一方面，木星内部和外层大气层（条带结构和风）的自转速度相同吗？直到这次之前都不确定。

重力场的低阶偶数项数据可以有力地约束和反映的天体的内部结构（比如内核的大小和内部自转），朱诺号前三个周期的重力场探测结果（仅用到J6项）表明，木星小而致密的内核外层可能有一个比过去预想要大得多的外核，两者一共延伸了约0.3-0.5个木星半径，但这个外核很可能不是紧致的固态，而是重元素与金属氢（富含氦）融合在一起的一种“软糯而稀释”的混合状态，这被称为“稀释的核”(dilute core) [7] 。

图：朱诺号重力数据推测的木星内部结构，整个木星核部分延伸了约0.3-0.5个木星半径[7]

而这一次，加入了J8和J10项后的重力场数据（也就是J2、J4、J6、J8和J10一起）更好地约束了木星的内部结构和自转。结果依然表明木星内核确实很可能有一层稀释的混合层。风层以下的内部（内核、金属氢层、液态氢层等）都以近乎刚体的形式在自转，速度比外层大气慢多了——至少低了一个量级。

计算结果还表明，流动的外层和近乎刚体的内部的分界在约2000-3500 km，相当于以另一套独立的观测验证了上一节提到的奇数项重力场对外层急流深度的估算。

这一分界也对应着电导率的大幅增加，因此推测木星内部这种近似刚体的状态可能是木星内部的磁拖曳造成的。

另一方面，考虑到气态大天体的导电率主要依赖于天体质量，所以文章推测对于质量只有木星三分之一的土星，想要达到相同的电导率，其分界应当至少三倍深于木星（也就是约9000 km），而比木星更重的气态巨行星和以及褐矮星这一分界所在的位置应当浅于木星。

结语：星辰大海，拭目以待

虽然前6个观测周期已经给我们带来了无尽的欣喜和惊讶，但对朱诺号来说，精彩还在继续。今年4月1日，朱诺号将进入第12个观测周期，这也是朱诺号任务的计划中的最后一个观测周期。

也就是说即使没有拓展任务，也还有一半的数据等着科学家们去处理和解译。

图：朱诺号PJ7-PJ12的日程。来源：NASA

不过由于朱诺号目前为止运转良好，传回的科学数据始终质量很高，科学家们已经计划让朱诺号在今年7月继续开始下一轮拓展任务[8]。

遥远、神秘而气象磅礴的木星，接下来还会有哪些振奋人心的新发现？

让我们拭目以待。

图：木星云层之上。这张图拍摄于2017年12月16日，中心位置大约在木星北纬49.9度，分辨率9.3 km/像素。因为角度不是对着北极点正上方，所以图中没有明显的晨昏线交界（但右上角可以隐约看到一点暗色的阴影）。来源：NASA

最后，防止你们看晕了再上个提纲~ 太长不看版↓

关于作者：灰原哀博士（haibaraemily），从事行星科学研究。

致谢

本文严肃认真地感谢知友@漠北（审稿）、@尞祡（视频压制）和果壳编辑@明天对文章内容的提升和优化所提供的帮助。

声明

本文的简化版首发于「果壳科学人」（scientific_guokr），最详细版以及今后的实时更新版发布于知乎

参考 

 [1] Adriani, A. et al. (2018). Clusters of cyclones encircling Jupiter’s poles. Nature 555, 216–219. 

 [2] Kaspi, Y. et al. (2018). Jupiter’s atmospheric jet streams extend thousands of kilometres deep. Nature 555, 223–226.  

[3] Iess, L. et al. (2018). Measurement of Jupiter’s asymmetric gravity field. Nature 555, 220–222.  

[4] Guillot, T. et al. (2018). A suppression of differential rotation in Jupiter’s deep interior. Nature 555, 227–230.  

[5] Bolton, S. J., Adriani, A., Adumitroaie, V., Allison, M., Anderson, J., Atreya, S., ... & Folkner, W. (2017). Jupiter’s interior and deep atmosphere: The initial pole-to-pole passes with the Juno spacecraft. Science, 356(6340), 821-825.   

[6] Guillot, T., Gautier, D., & Hubbard, W. B. (1997). New constraints on the composition of Jupiter from Galileo measurements and interior models. Icarus, 130(2), 534-539.  

[7] Wahl, S. M., Hubbard, W. B., Militzer, B., Guillot, T., Miguel, Y., Movshovitz, N., ... & Levin, S. (2017). Comparing Jupiter interior structure models to Juno gravity measurements and the role of a dilute core. Geophysical Research Letters, 44, doi:10.1002/2017GL073160. 

[8] https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-juno-mission-to-remain-in-current-orbit-at-jupiter