海外文摘——窥视巨行星的内部




窥视巨行星的内部
Jonathan J. Fortney 文 Shea 译
	由望远镜和空间探测器所拍摄的木星和土星照片只能显示这些巨行星的最外层。了解这些绝大部分由氢和氦组成、占据太阳系行星总质量超过90%的巨行星的内部结构十分困难。最近的研究显示，通过在轨的“卡西尼”土星探测器的观测数据可以进一步地了解土星的部分结构，进而可以推广到所有的巨行星。　　巨行星模型最关键的地方是状态方程——它描述了氢的压强和密度之间的关系。状态方程的不确定性直接导致了对巨行星“重元素”（比氦重的元素）核心大小以及富氢包层中元素丰度估计的不确定性。有两个小组已经观测到了由激波引起的氘可压缩性，但是他们之间数据的相差了50%。正像索蒙（Saumon）和古洛特（Guillot）在《天体物理学报》中最近一篇文章中所指出的，这一不确定性严重影响了对行星成分和核心大小的研究。而只有知道了这些物理量才能进一步去了解巨行星的形成过程和早期太阳系的特性。 [图片说明]：三种土星内部结构的比较。橙色代表原太阳的He/H比。黄橙色表示较少的氦，红橙色则代表更多的氦。褐色是冰/岩核心。有斜条的区域代表液态分子氢，无斜条的区域代表液态金属氢。（1）15亿年时的土星，氦的相分离还没有开始；（2）按照以前的氢-氦相图计算的土星结构；（3）按照新的演化模型计算的土星结构。版权：PRESTON HUEY/SCIENCE。　　科学家已经建立了与所有限制条件相符的木星和土星静态模型，这些限制条件包括质量、半径、扁率、自转周期、大气温度和引力距。同时他们还使用了来自不同实验的有关氢的状态方程。按照他们的模型，木星的核心质量为0-11个地球质量。土星的核心可能更大一些，在9-22个地球质量之间。作为比较，木星的质量是317.8个地球质量，土星的是95.2个地球质量。总体上讲，木星重元素的丰度是太阳1.5-6倍，土星是太阳的6-14倍。这些结果中最惊人的一点是我们还无法确定木星是否具有一个核。　　木星结构中最大的不确定性源自我们对在兆巴的压强下液态金属氢的特性知之甚少。与之形成对比的是，就土星而言，对于描述其质量和自转之间关系的引力距的认识不足是最主要的障碍。引力距可以通过测量探测器在行星附近时的加速度来确定。在“卡西尼”4年的探测任务中，高阶引力距J4和J6项的误差应该可以分别减小至少50和20倍。这些测量会给土星核心质量和重元素丰度施加更强的限制条件。在对探测任务做进一步拓展之后，有可能第一次可以测量到其他的引力距项。　　木星和土星都能发出相当于它们所接收的阳光20倍的辐射。这些辐射都来自其内部液体的对流。因此这两颗行星可能都具有绝热的并且充分混合的内部结构。一个关于均匀木星的完全对流冷却模型显示，如果假设木星所辐射的能量是45.5亿年前它形成时所残留下来的话，那么模型所预言的光度和观测到的值很接近。但是，土星的光度却超过这个模型所预言的50%。因此土星必定存在一个额外的内部能量源，而木星内部的能源可能就要小得多，甚至根本不存在。　　这样一个额外的能源可能来自氦的缓缓下沉。如果在均匀混合的巨行星内部氦元素处于相分离状态，那么这些氦就会形成稳定的微滴。当微滴的密度超过周围环境的密度时，就会下沉到更深的地方，通过粘滞耗散它们的引力势能会转变成热能。由于通过对流和深层连接，上层大气中的氦会被耗尽。　　量子力学计算显示，在压强超过2兆巴、温度低于8000K时氦元素就会处于相分离状态，而气态巨行星的内部可以满足这一条件。其结果是在过去的20-30亿年间土星发生了上面所说的过程。而木星由于其内部温度比土星高，还没有开始这一过程，或者这一过程只是在最近才刚刚开始。不过，有很多细节至今还不清楚。　　对于木星和土星大气中氦元素丰度的测量支持了它们之间存在差异的观点。木星和土星的包层曾经被认为应该具有0.096±0.004的原太阳He/H比。但是，“伽利略”号释放的木星大气探测器测量到的木星大气的He/H比为0.079±0.002。而“旅行者”探测器使用土星红外光谱倒置技术间接测量到的土星大气He/H比在0.055-0.080之间。这些数据都支持了两颗行星都出现了氦沉降现象，但是土星的范围更大。这些行星的深层必定包含了来自表层的氦元素。　　为了检测计算得到的氢-氦相图并且给氦的不相容区域的温度/压强范围增加限制，比尔·赫巴德（Bill Hubbard）和我最近将土星详尽的演化模型和高压氢-氦混合相图联系了起来。我们发现最初的氢-氦相图的计算可能有错误。使用这一相图，土星的演化模型显示土星的光度比实际的减小了30%。我们根据最新的分子动力学计算提出了一种新的相图。　　这个相图允许氦下降到土星内部更深的地方（到达核心），释放出更多的引力势能。使用这个相图，土星模型可以满足所有的限制条件：以45.5亿年的年龄计算，土星的光度和已知值相吻合，并且其大气中氦的丰度也和“旅行者”号的结果一致。被预言的氢-氦相图的形状可以通过计算机模拟或者是未来高压激波实验来检验。这个模型还预言，如果土星现在大气中He/H比超过0.063，那么氦的相分离不会是土星唯一的额外能源。　　氦的相分离可以被调节以适应土星的演化，但是木星大气中较小的氦损耗却仍然无法解释。是否可以得到一个既吻合木星和土星光度又吻合其大气中氦丰度的相图呢？在“卡西尼”计划中行星科学家将继续研究这个问题。对土星中氦元素丰度的精确测定将有助于了解土星、木星乃至太阳系外与之类似的巨行星的演化。“卡西尼”号没有可以释放用于直接测量土星大气的探测器，但是它可以进行更好间接测量。它可以获得一定纬度范围内的大气压强-温度曲线以及波长为1mm的红外光谱。　　土星和木星是所有巨行星形成和演化理论的直接检验者。而且，这两颗行星也是在高压下研究氢和氦的天然实验室。未来的研究将会需要更好的氢/氦混合计算模型、在高压下对这些元素进行的实验，以及由“卡西尼”探测器精确测定的土星引力距和其大气中氦元素的丰度。
出自：Science 发布日期：2004-09-03

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