太阳系巨行星：了解其成分与特性

想象一下，假如我们从外部穿行到木星（太阳系中质量最大的行星）的内部深处，沿途可以看到什么？当我们靠近它时，马上映入眼帘的是它那让人熟悉的外观：一颗缭绕着大量白、红、橘黄和棕色云带的星球（图12-1）。云带之间还点缀着许多椭圆形的斑点，包括木星著名的大红斑。

随着我们进入木星的大气层，这幅平面图开始变得立体起来。色彩艳丽的云带在不同海拔处形成了规则的云堤。远处看到的斑点是周边云层卷起的风暴气旋。穿过云层下降，我们会看到氨、硫化铵和水组成的气层。再往下一点，是含有岩质和金属元素的云层。整体来看，木星大气的主要成分是氢气和氦气，除此以外还有少数其他气体，如水蒸气和甲烷。

木星的温度和压力随深度的增加而递增，气体到最后已被严重挤压得更像液体。从木星内部深处涌出的热量造成了对流旋涡（指大量液体羽流上升下降的现象），在此过程中木星内部的物质不断融合。氦和氖的液滴形成了持续的毛毛细雨，落入旋涡。木星的液态层深处压力极大，使氢原子的电子被剥离出来，氢于是成为一种类似液态金属的物质。在接近木星中心的位置，有一个小小的、致密的内核，由重元素组成，它们被挤压到了令人难以想象的程度。

图12-1　哈勃空间望远镜2009年拍摄的木星图片。图片中，下沿右侧的一个暂时性的黑点为一次撞击后形成的［图片来源：NASA，ESA，H.Hammel（Space Science Institute，Boulder，Colorado），and the Jupiter Impact Team］

在可预见的未来，这种旅行仍然只能存在于想象中，但是它并不全是空想。1995年，“伽利略号”释放出的一个木星探测器已经实现了第一步。该探测器在进入木星的上层大气后放出一个降落伞徐徐下降，下降过程中传回了木星大气的成分、温度、压力和云层的相关数据，这一过程持续了近1个小时。与预料中一样，木星大气层的主要成分是氢气和氦气。但意料之外的是，木星的大气非常干燥，显然探测器进入的该部分区域里的大气已经丧失掉了大部分水分。木星大气中还含有其他气体，包括甲烷、氨气、硫化氢和一些重惰性气体。随着探测器逐渐深入木星大气，木星大气的温度和压力都高到探测器所不能承受的程度，最终，还没来得及让我们一睹木星令人惊叹的内部构造，“伽利略号”释放的探测器就失去了联系。

但木星的内部情况究竟如何，我们还是可以通过远距离观察探知一二的。比如，木星的密度低说明它的主要成分是两种最轻的元素——氢气和氦气（图12-2）。而通过测量木星的引力场，我们知道木星中间的密度较大，我们从中可以推测木星内部很可能存在一个密度较高的内核，内核里的物质相当于5～10个地球的质量。木星强大的磁场意味着木星的内部可以导电。科学家在实验室里模拟出了木星内部巨大的压力环境，实验显示，氢气在这种环境下会被挤压成可以导电的金属。另外，天文学测量显示，由于物质被重力逐渐挤压，木星释放出的热量比从太阳吸收的还多。木星一直以来都在慢速收缩，因此它最初的体积一定比现在大得多。

对比起来，我们对太阳系其他巨行星的了解则更加匮乏，因为没有探测器进入过它们的大气层直接探测。但远距离观察表明，其他巨行星和木星有着许多共同点。太阳系4个巨行星的密度都比较低，这说明它们的主要成分比类地行星更轻。以木星为例，它的外层绝大部分都是气体，内部的气体则必定已经被挤压成液体。这些巨行星无一拥有固态表面，且气态和液态物质间的过渡也不明确。天文学家将巨行星的液态物质外面的部分称为大气，但对大气底部的深度的界定则非常随意。由于4个巨行星距离太阳太远，它们高层大气的温度都极低，木星的温度约为-160摄氏度，天王星和海王星则约为-220摄氏度。

巨行星的大气层主要由透明的气体组成，天王星和海王星之所以拥有独特的蓝色外观，是因为它们大气中存在的少量甲烷吸收了红光。4颗巨行星都拥有冰晶或液滴组成的云，且它们的大气和地球的一样，都有由不同浓度的细小颗粒组成的薄雾。巨行星的快速自转形成了色彩斑斓的云带，塑造了它们的可见外观。

图12-2　巨行星内部结构图(www.xing528.com)

虽然4颗巨行星之间存在很多相似之处，但它们仍然有着显著的差异。木星和土星是真正的巨行星，它们体积相近，直径都是地球的10倍左右。木星的质量是地球的300倍以上，是土星的3倍以上，因此它们的密度相差较大，土星的密度实际上比水还小。而另外两颗巨行星——天王星和海王星的体积和质量都比木星和土星要小（图12-3），它们的半径都是地球的4倍左右，质量分别是地球的15倍和17倍。海王星的质量和密度都比天王星大。和木星和土星不同，天王星和海王星的组成物质中氢气和氦气只占了10%～20%，其他都是重元素。

表12-1　4颗巨行星质量、直径和密度一览表

图12-3　天王星（左）和海王星（右）。天王星图片为哈勃空间望远镜于2003年拍摄。图片添加了滤镜以显示出云层特征，天王星外面的区域也做了增强处理，以突出其光环系统和卫星（图片来源：NASA and Erich Karkoschka、University of Arizona）。右边的海王星图片为“旅行者2号”于1989年8月14日拍摄。1994年哈勃空间望远镜再次拍摄海王星时，海王星图片中的大暗斑已经消失，另一个地方则出现了一个类似斑点（图片来源：NASA/JPL）

天文学家按照这一差异将4个巨行星划分成两大类。然而，这样做却非常具有误导性。木星和土星被称为气态巨行星，因为它们的大部分成分都是氢气和氦气，它们通常被认为是气态的。但是，木星和土星内部的这些“气体”由于受到巨大的压力而表现得更像液态。而且前面提过，它们内部的氢气也因此具有明显的金属性质。天王星和海王星则被称为冰质巨行星，因为它们的大部分成分在极低温下可以结冰。然而，天王星和海王星内部拥有和气态巨行星内部同样的高温高压环境，意味着这些“冰质”实际上是高温液体。

显然，这两类巨行星都和地球以及其他类地行星非常不同。为什么两类行星同样都在太阳系形成，成分却如此截然不同？有些行星的主要成分是氢气和氦气，这点我们并不感到太意外，因为太阳星云的大部分物质就是氢气和氦气。但要将氢气维持在一起，则需要强大的引力场。四个巨行星的质量都足够大，而类地行星则不行。因此，巨行星的组成成分和它们的体积及质量有着密切的关系。

对于巨行星的形成有两派观点，其中可信度较高的一派建立了核吸积模型。该观点认为，所有巨行星都是从一个固态天体（就像放大版的类地行星）演变而来的。后来，它们的质量逐渐大到足以捕获和吸住太阳星云的氢气和氦气。但它们的吸积速度很快，太阳星云中任何一处的温度和压力都不足以将氢气和氦气挤压成固态或液态，这说明气体被巨行星捕获时仍然处于气态。在第8章中我们提到，围绕在年轻恒星周围的气态原行星盘的存在时间只有几百万年。所以我们有理由相信，太阳星云的存在时间同样非常短暂，因此，木星和土星一定是在短期内吸积到今天这般大小的。

一些天文学家认为，这么短的时间内木星和土星不可能长到这么大，因此，行星科学家艾伦·博斯（Alan Boss）提出了另一个理论——盘不稳定性模型。根据该模型，气态巨行星是由星云的一部分在自身重力下坍缩并与周围物质分离而直接形成的。下面我们来深入了解这两个模型。