澳科大科學家破解“朱諾號”太空船密碼助了解木星

木星是太陽系最大的氣體星球,其總質量是太陽系中其它所有行星、衛星的總質量的2.5倍,直徑更超過地球10倍有餘。在多年行星物理與行星磁流體力學研究的基礎上,澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室主任張可可講座教授帶領他的合作者,共同發展了邏輯上一致、物理上正確、數學上嚴謹的木星環流模型和反演方法,並結合美國太空總署(NASA)“朱諾號”太空船最新引力場測量資料,提出了兩類可能的木星環流形態。該研究已發表在最新一期《美國國家科學院院報》(PNAS)上(Kong and Zhang et al. 2018, PNAS, doi: 10.1073/pnas.1805927115)。PNAS是公認的世界四大期刊(CellNatureSciencePNAS)之一,自1914年創刊至今,提供具有高水準的前沿研究報告、學術評論等。此論文明確指出並糾正了其他科學家的觀點與方法,為木星表面快速環流之謎作出了合理的科學解釋,並對木星內部物理與動力學性質提供了關鍵的約束條件。

基於澳科大的這項最新研究,科學家知道了目前在“朱諾號”對木星引力場的測量方式下,木星的環流結構以及內部其它物理狀態的推測仍然存在顯著的不確定性。這項研究亦明確糾正了今年三月有科學家在《自然》雜誌發表有關“朱諾號”觀測結果所得可靠性和科學性不足的結論,並解決了科學家對木星大氣環流結構的建模反演成果所存在明顯數學與物理缺陷的問題。在中國的木星探測計劃中,通過巧妙的探測器軌道設計與高精度的引力場測量,結合完善的內部物理化學模型反演,將能顯著提高人類對木星內部結構和流體運動模式的理解,而澳科大月球與行星科學國家重點實驗室研究團隊將在中國未來木星太空船的科學探索中發揮獨特而重要的作用。

澳科大月球與行星科學國家重點實驗室主任張可可講座教授

木星最令人印象深刻的特徵莫過於其表面靚麗的條紋結構,那是沿著緯線方向橫掃木星全球的大氣環流,風力強勁(高達120m/s)且持久了至少幾百年。與木星相比,地球大氣環境要平靜許多:地球大氣對流層典型的風速只有10m/s,即使在極強的颱風系統中,風速亦僅會在很短時間(數天)和較小範圍(方圓數百公里)內達到約50m/s。木星是顆典型的氣體巨行星,它的外層大氣與內部結構之間缺乏清晰的物理介面,因此大氣環流會受到內部流體運動影響。木星表面大氣環流的產生與維持是行星科學中最大的謎團之一。

除了望遠鏡的觀測之外,迄今為止,已經有七艘太空船在它們各自的旅途中近距離探測過木星。它們分別是“先驅者10號”、“先驅者11號”、“旅行者1號”、“旅行者2號”、“尤利西斯號”、“凱西尼號”和“新視野號”。著名的“伽利略號”更將其整個科學生涯貢獻給木星與它的衛星系統。這些太空船的飛越或環繞揭示了木星更多的細節,但科學家對於它外表下的端倪卻依舊如霧裡看花。為了研究木星內部深處的環流結構和物理性質,2012年美國太空總署(NASA)發射了“朱諾號”,於2017年夏天進入環繞木星的軌道。“朱諾號”的一個重要科學使命就是嘗試通過測量木星引力場來研究其深部的結構與流體運動,揭開木星表面快速環流之謎。