木星上有水？是如何找到的？

几个世纪以来，科学家们一直致力于了解木星的构成。这并不奇怪：这颗神秘的行星是太阳系中最大的一颗，从化学角度来说，也是与太阳最近相似的一颗。了解木星是了解我们太阳系如何形成，甚至其他太阳系如何发展的关键。但有一个关键的问题困扰了天文学家好几代：木星大气层深处有水吗？如果有，有多少水？位于马里兰州格林贝尔特的美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的天体物理学家戈登·l·比约克(Gordon L. Bjoraker)最近在《天文学》上发表的一篇论文中说：他和他的团队让木星研究团队更接近了答案。

博科园-科学科普：通过地面望远镜观察对从木星持续存在的风暴“大红斑”(Great Red Spot)深处泄漏的热辐射敏感波长，在木星最深云层上方发现了水的化学特征。研究人员得出结论，水的压力，再加上他们对另一种含氧气体：一氧化碳的测量，意味着木星的含氧量是太阳的2到9倍。这一发现为理论和计算机模拟模型提供了支持，这些模型预测了木星上由氧(O)和氢(H2)分子组成的大量水(H2O)。

这个发现令人激动，因为这个团队的实验很容易失败。大红斑上布满了密集的云层，这使得电磁能量难以逃逸，也无法向天文学家传授内部的化学知识。事实证明，它们并不是那么厚，以至于不能阻挡我们深入观察，这是一个惊喜。新的光谱技术和纯粹的好奇心推动了研究小组深入木星内部，木星的大气层有几千英里深。研究团队收集的数据将补充NASA的“朱诺”号宇宙飞船正在收集的信息，因为它每隔53天绕木星从北向南一周一次。

此外，“朱诺号”正在用自己的红外光谱仪和微波辐射计寻找水源。微波辐射计可以探测到比任何人所见过的深度都要深的水——达到100巴，或者是地球表面大气压力的100倍（木星的高度是用柱形测量的，柱形表示大气压，因为木星没有像地球那样的表面来测量海拔）。

大红斑是这张红外图像中间的暗斑，由于厚厚的云层阻挡了热辐射，天气很暗。黄色的条带表示在天体物理学家Gordon L. Bjoraker的分析中使用的大红斑的一部分。图片：NASA"s Goddard Space Flight Center/Gordon Bjoraker

戈达德的行星大气专家艾米西蒙(Amy Simon)说，如果“朱诺号”返回类似的水研究成果，从而支持比约克的地面技术，它可能会为解决水问题打开一扇新的窗户。如果它起作用了，也许我们可以把它应用到其他地方，比如土星、天王星或海王星，在那里我们没有朱诺号。朱诺号是最新的一艘宇宙飞船，其任务是在这颗巨大的气态行星上发现可能以气体形式存在的水。水是太阳系中重要而丰富的分子，它孕育了地球上的生命，现在也润滑了许多最基本的过程，包括天气。这也是影响木星动荡天气的一个关键因素，也决定了木星是否有一个由岩石和冰组成的核心。

木星被认为是第一颗通过吸收太阳形成时遗留下来的元素而形成的行星，因为太阳（恒星）从无定形星云合并成我们今天看到的炽热气体球。几十年前，一个被广泛接受的理论是，木星的组成与太阳相同；一个带一点氦的氢球——全是气体，没有核。但是越来越多的证据表明木星有一个核心，可能是地球质量的10倍。之前访问过这颗行星的航天器发现了化学证据，证明它在与太阳星云的气体混合形成大气层之前，形成了一个岩石和水冰的核心。木星对朱诺的引力也支持这个理论，地球上甚至有闪电和雷声，这些现象都是由湿气引起的。

围绕木星运行的卫星大多是水冰，所以附近都有很多水，为什么地球——也就是这个巨大的重力，所有的东西都掉进去的地方——不也是富含水的吗？水的问题困扰著行星科学家；事实上，每当H2O的证据出现时，就会有一些东西让它们失去了嗅觉。木星专家们最喜欢的一个例子是美国国家航空航天局(NASA)的伽利略(Galileo)航天器，该航天器在1995年向大气中投放了一个探测器，结果进入了一个异常干燥的区域。“这就像向地球发射探测器，在莫哈韦沙漠着陆，得出地球是干燥的结论。

在寻找水源的过程中，比约克和他的团队使用了2017年夏威夷Maunakea峰收集的辐射数据。依靠的是W.M.凯克天文台地球上最灵敏的红外望远镜，以及一种能在美国国家航空航天局红外望远镜设备上探测到更大范围气体的新仪器。这个想法是为了分析通过木星云层发射的光能，以确定云层的高度。这将帮助科学家确定温度和其他影响在这些地区能够生存的气体类型的条件。行星大气专家预计木星上有三层云：一层是由水冰和液态水构成的，一层是由氨和硫构成的，一层是由氨构成的。

为了通过地面观测来证实这一点，比约克的研究小组观察了红外线范围内的波长，在这个范围内，大多数气体都不吸收热量，从而导致化学特征泄露。具体来说，分析了一种甲烷气体的吸收模式。因为木星太热，甲烷无法冻结，所以它的丰度不应该从一个地方变成另一个地方。如果看到大红斑内部和外部的甲烷线强度不同，那不是因为这里的甲烷比那里的多，而是因为有更厚、更深的云层挡住了大红斑的辐射。研究团队在大红斑发现了三层云的证据，支持了早期的模型。

最深的云层是5巴，研究小组得出的结论是，就在水的温度达到冰点的地方，所以认为很可能发现了水云。水云的位置，加上研究人员在木星上确定的一氧化碳含量，证实木星富含氧气，因此是水？研究团队技术现在需要在木星的其他部分进行测试，以全面了解全球水资源的丰富程度，数据与朱诺的发现相符。加州帕萨迪纳市美国国家航空航天局喷气推进实验室的朱诺项目科学家史蒂文·莱文说：木星的水丰富程度将会告诉我们这个巨大行星是如何形成的，但前提是我们能弄清楚整个行星有多少水。

博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《Astronomical Journal》｜研究/来自：美国宇航局的戈达德太空飞行中心，DOI: 10.3847/1538-3881/aad186

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