利用行星探测器发出的无线电信号，研究人员得以穿透隐藏在木星和土星内部的旋涡云。在那里，巨大的压力将物质转化为地球上未知的形态。这项由意大利罗马大学Luciano Iess领导的研究，将美国宇航局（NASA）的两架探测器（探测土星的“卡西尼”号和探测木星的“朱诺”号）发出的信号用于探测这些气态巨行星内部深处的引力变化。
研究人员发现，这是一场高风险的比较游戏。去年发表在《自然》杂志的木星研究和上周发表在《科学》杂志的土星研究表明，“这两颗行星比我们想象的要复杂得多”。瑞士苏黎世大学行星科学家Ravit Helled说：“这些巨大的行星并非简单的氢球和氦球。”
20世纪80年代，Iess帮助开发了“卡西尼”号的无线电仪器，该仪器能够发出异常清晰的信号，因为它在Ka波段工作，相对来说不受星际等离子体噪音的干扰。通过监测信号的波动，研究小组计划在该探测器于1997年开始的土星之旅中寻找宇宙引力波，并测试广义相对论。Iess的研究小组在2011年发射的“朱诺”号探测器上也安装了类似的设备，但这次的目标是研究木星内部。
“朱诺”号每隔53天就会近距离掠过木星表面，每次经过木星表面时，隐藏在木星内部的引力都会对探测器施加1分钟的牵引，导致其无线电信号产生微小的多普勒频移。Iess和他的团队起初认为，由于土星光环的引力影响，测量这些频移是不可行的。但是这个障碍在10年前消失了，这是因为“卡西尼”号团队决定结束这项任务，并将探测器送上一系列名为“终场演奏”的轨道。这些轨道位于土星环之下，从而消除了光环的影响。因此，Iess和他的同事可以利用无线电波动绘制这两颗行星的引力场形状，进而推断出这两颗行星内部物质的密度和运动情况。
其中一个目标是探测将气态巨行星上的云“抽打”成不同水平条带的强风根源。科学家认为，这些风要么是像地球上的风那样的浅层风，要么是非常深的风，它们穿透数万公里进入行星。在那里，极端的压力会将电子从氢中剥离出来，使其变成类似金属的导体。对木星来说，最终的结果是一个谜：时速500公里的风并不浅，但它们只到达这颗行星3000公里深处，约为其半径的4%。而土星则带来了一个不一样的谜团：尽管它的体积较小，但它表面的风最高时速达到1800公里，深度则是前者的3倍，至少达到9000公里。“每个人都大吃一惊。”Iess说。
科学家认为这两项发现的原因在于行星的深层磁场。在大约10万倍于地球大气的压力下——远低于产生金属氢的压力，氢会部分电离，变成一个半导体。这使得磁场可以控制物质的运动，防止其穿过磁场线。以色列雷霍沃特市魏茨曼科学研究所行星科学家Yohai Kaspi曾与Iess合作，他说，“磁场冻结了流体”，从而使行星变得坚硬。木星的质量是土星的3倍，这就导致了大气压力的快速增加——大约是土星的3倍。“这基本上是相同的结果”，Kaspi说，但是刚性在较浅的深度就会出现。
“朱诺”号和“卡西尼”号的数据只能提供有关更大深度的微弱线索。科学家曾经认为，这些气态巨行星的形成与地球非常相似，它们在从原行星盘吸走气体之前就已经形成了一个岩石内核。这样一个宏大的过程可能会产生不同的层，包括一个富含重元素的离散核心。但是“朱诺”号的测量结果通过模型解释后表明，木星的核心只有一个模糊的边界，它的重元素在其半径的一半以内逐渐减少。德国罗斯托克大学行星科学家Nadine Nettelmann表示，这意味着木星可能从一开始就是由蒸发的岩石和气体形成的，而不是先形成岩石内核，再加入气体。
而有关土星的情况仍不明朗。“卡西尼”号的数据显示，其核心质量可能是地球的15到18倍，重元素的浓度可能高于木星，这表明它可能有一个更清晰的边界。但帕萨迪纳市加州理工学院行星科学家、“朱诺”号共同研究者David Stevenson说，这种解释是暂时的。Iess说，更重要的是，“卡西尼”号受到土星深处某种无法用风解释的东西的牵引。“我们称之为土星引力的黑暗面。”Stevenson补充说，无论是什么原因导致了这种引力，它都是在木星上未曾发现的。“这是一个重大的结果。我想我们还没想明白。”
加州大学圣克鲁兹分校行星科学家Chris Mankovich说，由于“卡西尼”号项目以“终场演奏”而告终（该探测器最终在土星大气中焚毁殆尽），“短期内不会有更好的测量方法”。但是，尽管这些光环使引力测量变得复杂，它们也提供了一个机会。由于某种未知的原因——也许是风，也许是其许多卫星的引力，土星在振动。这些振荡的引力作用使其光环的形状扭曲成星系螺旋臂的形状。其结果是一个振动的可见记录，就像地震仪上的痕迹，科学家可以通过破译这些记录探测该行星。Mankovich说，很明显，其中一些振动到达了土星的内部深处，并且他已经用“环形地震学”估算土星内部的旋转速度。
相关论文信息：DOI:10.1126/science.aaw6993
内容来源：中国科学报
