木星是怎样形成的

从1995年首次发现到2009年8月，已经发现360颗太阳系外行星。其中绝大部分是通过测量宿主恒星的视向速度变化而发现的。在这些太阳系外的行星中，绝大多数又是距离恒星较近的高温气态巨行星。

作为气态巨行星的代表，木星为我们提供了一个足不出“户”就能研究它的这些“远亲”的机会。了解木星的形成过程也会为了解气态巨行星的形成提供重要的线索。

气态巨行星的形成牵涉到两种可能的机制：核心吸积和引力坍缩。顾名思义，核心吸积事先需要一个大约10个地球质量的固体冰质或者岩质核心，随后它会吸积周围的气体形成木星这样的气态巨行星。

核心吸积过程必须按部就班地一一进行，所以历时较长。与之形成对比的是引力坍缩机制。由于恒星周围行星盘中的局部引力不稳定性，气态巨行星可以直接由此坍缩而成。

虽然可以借此方式快速形成，但是这一过程需要一个大质量的行星盘，而且在不稳定性出现之前还要等上相当长的一段时间。

为了甄别这两种机制，就需要了解这些气态巨行星的组成，尤其是氧元素的丰度(含量)。显然，木星提供了一个“近在咫尺”的机会。

木星在行星盘中形成的气态巨行星

为了了解氧在木星中的丰度，就需要了解木星中含有多少水。由于形成于距离太阳较远的地方，太阳的热量不会破坏具有挥发性的物质。因此木星很可能现在还保留着和原太阳星云相同的物质丰度，这同时也意味着木星中水的含量就像是一块被埋藏在木星内部的远古“化石”。

不幸的是，测量木星中水的丰度却并非易事。它们在木星的云顶中都凝聚成了冰晶，很难从远距离进行测量。因此必须深入木星内部，在那里水会呈现为液态。但这说起来容易做起来难。

“伽利略”木星探测器曾在木星不同的深度测量了水的丰度，但是结果却和任何一个理论模型都对不上。因此不是理论模型都错了，就是探测到的数据本身具有特殊性。

现在科学家们相信“伽利略”正好降落进了一片干燥的下沉气流，因此其中仅有少量的水，于是也就无法真正地反映出木星中有多少氧。

氧是宇宙中仅此于氢和氦的第三大元素，但是它对于木星的组成而言仍然是缺失的一环。同时木星中的水也是一个巨大的谜，并不仅仅因为它反映了太阳系中氧和氢的含量。

它还和木星的天气系统息息相关。在木星上可以看到巨大的闪电和雷暴，这些都是由水操控的天气过程的最底层表现。

木星的大气从哪儿来

如果说木星中的氧元素隐藏着原太阳星云的秘密，那么木星中的其他重元素则暗含着木星大气由来的玄机。

在“伽利略”木星探测任务之前科学家们认为，在太阳系形成的早期冰质的星子会俘获重元素，并且将它们带入形成中的气态巨行星内部。

如果真是如此的话，通过比较现在木星和太阳的重元素组成就能告诉我们木星是如何长成现在这个样子的。

木星巨大的磁场以及木卫一向木星输入离子

与预想中木星和太阳具有不同的重元素比例不同，“伽利略”探测器发现两者具有相同的重元素丰度。唯一的不同是，木星的含量是太阳的3倍。

虽然还不清楚这一结果的真正含义，但是它却实实在在是个问题。木星比太阳含有更多的硅和碳好解释——它可能在形成的过程中“吞噬”了许多小行星。但是木星富含氩这样的稀有气体就无法解释了。

或许木星形成于行星吸积的晚期，当时这些气体还非常丰富。或者木星形成时的位置并非是现在它所处的地方，是事后才迁移过来的。

如果木星确实形成于目前所在位置的话，那么太阳星云的温度就会比原先设想的更低。

对这个问题的回答还直接关系到地球的大气和海洋是从哪儿来的?对于地球而言，由于更为靠近太阳，挥发性物质难以被保存，因此地球上的水很可能来自彗星。

木星的磁场是如何产生的

木星有着太阳系行星中最强大、延伸范围最广的磁场。它的强度是地球磁场的14倍。假设木星的磁场从地球上能用肉眼看到的话，那么它所延伸的范围足有两个满月的直径那么大。

在现实中，木星的磁场可以延伸大约160万千米，是太阳直径的10倍左右。

产生木星磁场的内部“发电机”和木星的自转轴之间有11°的夹角，它是如何工作的几十年来也一直是个谜。

综观地球的历史，地磁场曾发生过数次南北极翻转的事件，那么木星的磁场是不是也发生过类似的现象?为了回答这些问题唯有近距离飞临木星的两极才能寻找到答案。

但是这样也会造成巨大的风险，因为探测器在木星的两极必须要面对具有破坏性的辐射环境。在那里木星强大的磁场会加速带电粒子形成太阳系中最强烈的极光。

哈勃空间望远镜所拍摄到的木星极光

美国宇航局的钱德拉X射线天文台对木星的极光观测发现，其中有高度电离的粒子撞入了木星两极上空的大气。X射线谱显示，木星的极光是由高价氧离子以及其他元素的离子所造成的。

这就要求这些离子在木星的极区要被加速到百万伏特的高能量状态，暗示着木星极光的成因与地球的可能截然不同。

在地球上，极光是由于太阳风暴中的高能粒子扰动地球磁场所产生的。来自太阳的粒子也可以产生木星的极光，但木星的极光来自于另一种机制。由于木星的高速自转、强大的磁场以及来自木卫一火山活动喷出的大量粒子，因此木星有巨大的电子和离子储备。

这些带电粒子被束缚在木星的磁场中，并且会被不断地加速撞入木星极区大气产生极光，所以木星的两极几乎总是存在极光活动。

如果产生极光的粒子来自太阳，那么这些粒子中应该含有大量的质子，它们会产生紫外极光。在“钱德拉”观测的期间，哈勃空间望远镜也对木星进行了紫外观测，只发现了微弱的紫外暴发。

综合两者的观测，木星极光是由于束缚在木星极区上空的氧和其他元素的离子被加速所造成的。虽然引发极光的源头清楚了，但是产生极光的具体细节还需要木星探测器亲临现场才能告诉我们一个究竟。

尽管木星身上有着这些兴许在短时间内无法解开的谜题，但是让我们暂时把这些留给天文学家和未来的木星探测器。

在此国际天文年之际，让我们不妨用望远镜去一窥行星之王的身姿，去感受一下它那看上去犹如大理石一般的“材质”，去体会一下400年前当伽利略首次在目镜中看到它时的那份激动。