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木星不会燃烧,但它的卫星为何比理论更温暖?谁在给它们加热?

2020/9/16 14:47:34 来源:原创 浏览:

木星是太阳系最大的行星,质量是地球的318倍,其中绝大部分物质都是氢和氦。

无与伦比的质量和十分类似于太阳的物质构成,让木星备受人们关注,很多人经常想象木星“谋朝篡位”、与太阳一争高下的场面。显然,虽然比地球大得多,但是和太阳相比,木星仍然微不足道。木星的质量不仅远远不足以成为恒星,甚至连恒星的“残次品”——褐矮星,木星都不够格,它的核心无法进行任何核聚变反应。

即便如此,科学家们还是发现了奇怪的事情。距离太阳7.78亿公里(4.83亿英里)的木星,表面温度比想象中还要更高一些。科学家的计算结果显示,如果要达到这个温度,木星需要自己产生热量,并且这个热量是它从太阳处接受能量的2.5倍左右。

有人认为这是木星能够进行核聚变的证据,但科学家认为,这是木星核心处氢的等离子体上下翻动、摩擦所产生的热量。

不过,在解释了木星自身温度比理论更高的问题之后,科学家又意外发现:连木星的四颗伽利略卫星(木卫一、木卫二、木卫三和木卫四)的温度也比理论值更高。既然木星不能进行核聚变,它们的温度又为何会高于理论值呢?

长期以来,科学家们给出的说法是:木星自己产生的热量也被这些卫星所共享。不过,最近的一项研究表明,这些卫星的升温机制不是直接来自于木星,而是它们自己之间相互产生的。在这个过程中,木星并没有直接参与,但是它也起到了至关重要的作用。《地球物理研究快报》最近发表了这项研究成果,向我们介绍了这个特殊的过程。

实际上,木星的四颗伽利略卫星在各自轨道上绕木星公转的同时,彼此之间还有着千丝万缕的联系,这都拜宇宙中的最基础法则所赐,那就是万有引力。在只有两个物体的系统中,万有引力似乎非常简单。但是,如果越来越多的物体加入进来,这个系统就会变得极为复杂,不再简单地是两个物体相互吸引那么简单了。

尤其是在天体物理学中,天体之间的相互作用更为复杂。即便它们都看似“专心”地绕木星公转,但是也会影响到其他卫星。科学家发现,伽利略卫星中的前三颗——木卫一、木卫二和木卫三之间有着一个非常有趣的数字,他们的公转周期保持着1:2:4的比例。

这个比例是巧合吗?当然不是。这是三个天体之间的引力交互作用所导致的一种叫做轨道共振的现象,类似的现象在太阳系还有很多。由此可见,这些卫星之间的关联还是非常紧密的。

至于我们提到的伽利略卫星温度高于理论值的现象,其实也与它们之间的相互作用有关,那就是彼此之间的潮汐力。所谓的潮汐力,其根源来自于引力,但是由于天体普遍巨大,而引力作用又和两个物体之间的距离不同而变化,导致不同位置受到的引力不同而产生了这样一种力。地球海洋的潮汐,就是典型的月球潮汐力带来的现象。

尽管伽利略卫星等天体并没有表面的液态海洋,但这种潮汐力仍然是不可避免的。潮汐力可以对天体造成轻微的推拉效果,在这个过程中就会有热量的产生,所以这个现象又被称为潮汐加热

不过,在此之前,科学家们很少会想到利用潮汐加热来解释这个问题,正如美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的行星科学家Hamish Hay所说:“这些卫星比木星小太多了,没有人指望它们能够产生如此巨大的潮汐反应。”

然而事实胜于雄辩,在最新的研究中,科学家们利用计算机模拟了卫星和卫星之间的潮汐加热。结果他们发现:这些卫星之间的潮汐加热足以产生许多热量,甚至比它们的宿主行星所提供的热量更多。在看到这个结果时,Hay也忍不住说:“这太惊人了!”

当然了,表面没有液态水,不代表其他位置没有。实际上,根据目前的研究,四颗伽利略卫星都有可能拥有地下液态水海洋。而在这些卫星潮汐共振的作用下,液态海洋就会上下翻涌,然后把动能转化为热能。

Hay解释说:“共振可以产生更多的热量,这么说吧,如果你推动任何物体或者系统,然后松开手,它们都会按照自己的节奏自然地摆动下去。如果你按照你的频率继续推动系统,振动就会越来越强。那就像你打秋千时一样,如果你推动秋千的时机合适,秋千就会越荡越高;如果选错了时机,就会阻碍秋千的摆荡。”

正是在研究这些卫星受到的抄袭共振时,科学家们发现了问题。按照这些卫星的自然频率来看,仅仅靠木星的潮汐共振所产生的效果和这些卫星内部的海洋规模并不匹配。这意味着,他们还需要加入其他因素。

当他们把卫星自身的引力也加入进去考虑的时候,发现问题得到了很好的解决,潮汐力符合目前科学家们所估计的伽利略卫星海洋规模。由此可见,它们之间的潮汐力的确也起到了至关重要的作用,足以将它们内部的冰融化掉。而且,作为太阳系中火山活动最活跃的天体,木卫一内部的温度足以为400多座活火山提供岩浆,可见潮汐加热的能量之巨大,连内部的岩石都能融化。

(图片说明:木卫一是太阳系火山最活跃的天体)

实际上,这样的潮汐力不仅仅存在于伽利略卫星之间,很可能还会牵扯到木星其他的卫星。目前,科学家一共发现了79颗木星卫星。这是太阳系内一个十分庞大的家族,这些卫星的形成和演化,很可能都有伽利略卫星引力的参与,就好像木星也曾经为太阳系今天的结构产生了巨大影响一样。

同样的,深入了解天体之间的潮汐力,也可以推广应用到整个太阳系,了解太阳系的演化过程。也许,地球和月球的形成、生命出现的秘密,都蕴藏在这个复杂的引力机制之中。

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