木星
木星古稱歲星，是離太陽遠近的第五顆行星，而且是八大行星中最大的一顆，比所有其他的行星的合質(zhì)量大2倍（地球的318倍）。木星繞太陽公轉(zhuǎn)的周期為4332.589天，約合11.86年。木星(a.k.a. Jove)希臘人稱之為 宙斯(眾神之王，奧林匹斯山的統(tǒng)治者和羅馬國的保護人，它是Cronus（土星)的兒子。
公轉(zhuǎn)軌道: 距太陽 778,330,000 千米 (5.20 天文單位)
行星直徑: 142,984 千米 (赤道)
質(zhì)量: 1.90*10^27千克
木星是天空中第四亮的物體（次于太陽，月球和金星；有時候火星更亮一些），早在史前木星就已被人類所知曉。根據(jù)伽利略1610年對木星四顆衛(wèi)星：木衛(wèi)一，木衛(wèi)二，木衛(wèi)三和木衛(wèi)四（現(xiàn)常被稱作伽利略衛(wèi)星）的觀察，它們是不以地球為中心運轉(zhuǎn)的第一個發(fā)現(xiàn)，也是贊同哥白尼的日心說的有關行星運動的主要依據(jù).許多年來人們一直認為木衛(wèi)三是1609年由伽利略通過他自制的望遠鏡發(fā)現(xiàn)的，連同木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)四被稱為伽利略衛(wèi)星。其實木衛(wèi)三是中國戰(zhàn)國時代的天文學家甘德發(fā)現(xiàn)的，他著有《歲星經(jīng)》和《天文星占》兩書，可惜均以失傳。唐朝天文學家瞿曇悉達編著的《開元占經(jīng)》第二十三卷中有這樣的記載“甘氏曰：單閼之歲，攝提格在卯，歲星在子，與須女、虛、危晨出夕入，其狀甚大有光，若有小赤星附于其側(cè)，是謂同盟”。
甘德早在公元前346年發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)三，比伽利略早了將近2000年。
氣態(tài)行星沒有實體表面，它們的氣態(tài)物質(zhì)密度只是由深度的變大而不斷加大（我們從它們表面相當于1個大氣壓處開始算它們的半徑和直徑）。我們所看到的通常是大氣中云層的頂端，壓強比1個大氣壓略高。
木星由90％的氫和10％的氦（原子數(shù)之比, 75/25％的質(zhì)量比）及微量的甲烷、水、氨水和“石頭”組成。這與形成整個太陽系的原始的太陽系星云的組成十分相似。土星有一個類似的組成，但天王星與海王星的組成中，氫和氦的量就少一些了。
我們得到的有關木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的資料（及其他氣態(tài)行星）來源很不直接，并有了很長時間的停滯。（來自伽利略號的木星大氣數(shù)據(jù)只探測到了云層下150千米處。）
木星可能有一個石質(zhì)的內(nèi)核，相當于10－15個地球的質(zhì)量。
內(nèi)核上則是大部分的行星物質(zhì)集結(jié)地，以液態(tài)氫的形式存在。這些木星上最普通的形式基礎可能只在40億巴壓強下才存在，木星內(nèi)部就是這種環(huán)境（土星也是）。液態(tài)金屬氫由離子化的質(zhì)子與電子組成（類似于太陽的內(nèi)部，不過溫度低多了）。在木星內(nèi)部的溫度壓強下，氫氣是液態(tài)的，而非氣態(tài)，這使它成為了木星磁場的電子指揮者與根源。同樣在這一層也可能含有一些氦和微量的冰。
最外層主要由普通的氫氣與氦氣分子組成，它們在內(nèi)部是液體，而在較外部則氣體化了，我們所能看到的就是這深邃的一層的較高處。水、二氧化碳、甲烷及其他一些簡單氣體分子在此處也有一點兒。
云層的三個明顯分層中被認為存在著氨冰，銨水硫化物和冰水混合物。然而，來自伽利略號的證明的初步結(jié)果表明云層中這些物質(zhì)極其稀少（一個儀器看來已檢測了最外層，另一個同時可能已檢測了第二外層）。但這次證明的地表位置十分不同尋常－－基于地球的望遠鏡觀察及更多的來自伽利略號軌道飛船的最近觀察提示這次證明所選的區(qū)域很可能是那時候木星表面最溫暖又是云層最少的地區(qū)。
來自伽利略號的大氣層數(shù)據(jù)同樣證明那里的水比預計的少得多，原先預計木星大氣所包含的氧是目前太陽的兩倍（算上充足的氫來生成水），但目前實際集中的比太陽要少。另外一個驚人的消息是大氣外層的高溫和它的密度。
木星和其他氣態(tài)行星表面有高速颶風，并被限制在狹小的緯度范圍內(nèi)，在接近緯度的風吹的方向又與其相反。這些帶中輕微的化學成分與溫度變化造成了多彩的地表帶，支配著行星的外貌。光亮的表面帶被稱作區(qū)（zones），暗的叫作帶（belts）。這些木星上的帶子很早就被人們知道了，但帶子邊界地帶的漩渦則由旅行者號飛船第一次發(fā)現(xiàn)。伽利略號飛船發(fā)回的數(shù)據(jù)表明表面風速比預料的快得多（大于400英里每小時），并延伸到根所能觀察到的一樣深的地方，大約向內(nèi)延伸有數(shù)千千米。木星的大氣層也被發(fā)現(xiàn)相當紊亂，這表明由于它內(nèi)部的熱量使得颶風在大部分急速運動，不像地球只從太陽處獲取熱量。
木星表面云層的多彩可能是由大氣中化學成分的微妙差異及其作用造成的，可能其中混入了硫的混合物，造就了五彩繽紛的視覺效果，但是其詳情仍無法知曉。
色彩的變化與云層的高度有關：最低處為藍色，跟著是棕色與白色，最高處為紅色。我們通過高處云層的洞才能看到低處的云層。
木星表面的大紅斑早在300年前就被地球上的觀察所知曉（這個發(fā)現(xiàn)常歸功于卡西尼，或是17世紀的Robert Hooke）。大紅斑是個長25,000千米,跨度12,000千米的橢圓，總以容納兩個地球。其他較小一些的斑點也已被看到了數(shù)十年了。紅外線的觀察加上對它自轉(zhuǎn)趨勢的推導顯示大紅斑是一個高壓區(qū)，那里的云層頂端比周圍地區(qū)特別高，也特別冷。類似的情況在土星和海王星上也有。目前還不清楚為什么這類結(jié)構(gòu)能持續(xù)那么長的一段時間。
木星向外輻射能量，比起從太陽處收到的來說要多。木星內(nèi)部很熱：內(nèi)核處可能高達20,000開。該熱量的產(chǎn)量是由開爾文-赫爾姆霍茲原理生成的（行星的慢速重力壓縮）。（木星并不是像太陽那樣由核反應產(chǎn)生能量，它太小因而內(nèi)部溫度不夠引起核反應的條件。）這些內(nèi)部產(chǎn)生的熱量可能很大地引發(fā)了木星液體層的對流，并引起了我們所見到的云頂?shù)膹碗s移動過程。土星與海王星在這方面與木星類似，奇怪的是，天王星則不。
木星與氣態(tài)行星所能達到的最大直徑一致。如果組成又有所增加，它將因重力而被壓縮，使得全球半徑只稍微增加一點兒。一顆恒星變大只能是因為內(nèi)部的熱源（核能）關系，但木星要變成恒星的話，質(zhì)量起碼要再變大80倍。
宇宙飛船發(fā)回的考察結(jié)果表明，木星有較強的磁場，表面磁場強度達3～14高斯，比地球表面磁場強得多（地球表面磁場強度只有0.3～0.8高斯）。木星磁場和地球的一樣，是偶極的，磁軸和自轉(zhuǎn)軸之間有 10°8′的傾角。木星的正磁極指的不是北極，而是南極，這與地球的情況正好相反。由于木星磁場與太陽風的相互作用，形成了木星磁層。木星磁層的范圍大而且結(jié)構(gòu)復雜，在距離木星140萬～700萬公里之間的巨大空間都是木星的磁層；而地球的磁層只在距地心7～8公里的范圍內(nèi)。木星的四個大衛(wèi)星都被木星的磁層所屏蔽，使之免遭太陽風的襲擊。地球周圍有條稱為范艾倫帶的輻射帶，木星周圍也有這樣的輻射帶?！奥眯姓?號”還發(fā)現(xiàn)木星背向太陽的一面有3萬公里長的北極光。1981年初，當“旅行者2號”早已離開木星磁層飛奔土星的途中，曾再次受到木星磁場的影響。由此看來，木星磁尾至少拖長到6000萬公里，已達到土星的軌道上。
木星的兩極有極光，這似乎是從木衛(wèi)一上火山噴發(fā)出的物質(zhì)沿著木星的引力線進入木星大氣而形成的。木星有光環(huán)。光環(huán)系統(tǒng)是太陽系巨行星的一個共同特征，主要由小石塊和雪團等物質(zhì)組成。木星的光環(huán)很難觀測到，它沒有土星那么顯著壯觀，但也可以分成四圈。木星環(huán)約有6500公里寬，但厚度不到10公里。
木星光環(huán)
木星環(huán)較土星為暗（反照率為0.05）。它們由許多粒狀的巖石質(zhì)材料組成。
木星有一個同土星般的環(huán)，不過又小又微弱。（右圖）它們的發(fā)現(xiàn)純屬意料之外，只是由于兩個旅行者1號的科學家一再堅持航行10億千米后，應該去看一下是否有光環(huán)存在。其他人都認為發(fā)現(xiàn)光環(huán)的可能性為零，但事實上它們是存在的。這兩個科學家想出的真是一條妙計啊。它們后來被地面上的望遠鏡拍了照。
木星光環(huán)中的粒子可能并不是穩(wěn)定地存在（由大氣層和磁場的作用）。這樣一來，如果光環(huán)要保持形狀，它們需被不停地補充。兩顆處在光環(huán)中公轉(zhuǎn)的小衛(wèi)星：木衛(wèi)十六和木衛(wèi)十七，顯而易見是光環(huán)資源的最佳候選人。
伽利略號號飛行器對木星大氣的探測發(fā)現(xiàn)在木星光環(huán)和最外層大氣層之間另存在了一個強輻射帶，大致相當于電離層輻射帶的十倍強。驚人的是，新發(fā)現(xiàn)的帶中含有來自不知何方的高能量氦離子。
1994年7月，蘇梅克－利維9號彗星碰撞木星，具有驚人的現(xiàn)象。甚至用業(yè)余望遠鏡都能清楚地觀察到表面的現(xiàn)象。碰撞殘留的碎片在近一年后還可由哈勃望遠鏡觀察到。
在夜空中，木星是空中最亮的一顆星星（僅次于金星，但金星在夜空中往往不可見）。四個伽利略的衛(wèi)星用雙筒望遠鏡可很容易的觀察到；木星表面的帶子和大紅斑可由小型天文望遠鏡觀測。邁克·哈衛(wèi)的行星尋找圖表顯示了火星以及其它行星在天空中的位置。越來越多的細節(jié)，越來越好的圖表將被如燦爛星河這樣的天文程序來發(fā)現(xiàn)和完成。
過去有人猜測，在木星附近有一個塵埃層或環(huán)，但一直未能證實。1979年3月，“旅行者1號”考察木星時，拍攝到木星環(huán)的照片，不久，“旅行者2號”又獲得了木星環(huán)的更多情況，終于證實木星也有光環(huán)。木星光環(huán)的形狀像個薄圓盤，其厚度約為30公里，寬度約為6500公里，離木星12.8萬公里。光環(huán)分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)，外環(huán)較亮，內(nèi)環(huán)較暗，幾乎與木星大氣層相接。光環(huán)的光譜型為G型，光環(huán)也環(huán)繞著木星公轉(zhuǎn)，7小時轉(zhuǎn)一圈。木星光環(huán)是由許多黑色碎石塊構(gòu)成的，石塊直徑在數(shù)十米到數(shù)百米之間。由于黑石塊不反射太陽光，因而長期以來一直未被我們發(fā)現(xiàn)。
木星有一層厚而濃密的大氣層，大氣的主要成分是氫，占80％以上，其次是氦，約占18％，其余還有甲烷、氨、碳、氧和水汽等，總含量不足1％。由于木星有較強的內(nèi)部能源，致使其赤道與兩極溫差不大，不超過3℃，因此木星上南北風很小，主要是東西風，最大風速達 130～150米／秒。木星大氣中充滿了稠密活躍的云系。各種顏色的云層像波浪一樣在激烈翻騰著。在木星大氣中還觀測到有閃電和雷暴。由于木星的快速自轉(zhuǎn)，因此能在它的大氣中觀測到與赤道平行的、明暗交替的帶紋，其中的亮帶是向上運動的區(qū)域，暗紋則是較低和較暗的云。
木星的大紅斑位于南緯23°處，東西長4萬公里，南北寬1.3萬公里。探測器發(fā)現(xiàn)，大紅斑是一團激烈上升的氣流，呈深褐色。這個彩色的氣旋以逆時針方向轉(zhuǎn)動。在大紅斑中心部分有個小顆粒，是大紅斑的核，其大小約幾百公里。這個核在周圍的反時針漩渦運動中維持不動。大紅斑的壽命很長，可維持幾百年或更長久。
由于木星離太陽平均距離為7.78億公里，因此木星的表面溫度比地球表面溫度低得多。從木星接受太陽輻射計算，其表面有效溫度值為-168℃，而地球觀測值為-139℃，“先驅(qū)者11號”宇宙飛船的探測值為-150℃，均比理論值高，這也說明木星有內(nèi)部熱源。
“先驅(qū)者號”探測器對木星考察的結(jié)果表明，木星沒有固體表面，11是一個流體行星。主要是氫和氦。木星的內(nèi)部分為木星核和木星幔兩層，木星核位于木星中心，主要由鐵和硅構(gòu)成，是固體核，溫度達3萬K。木星幔位于木星核外，以氫為主要元素組成的厚層，其厚度約為7萬公里。木幔外就是木星大氣，再向外延伸1000公里，就到云頂。
大紅斑
木星表面的大多數(shù)特征變化倏忽，但也有些標記具有持久和半持久的特征，其中最顯著最持久，也是人們最熟悉的特征要算大紅斑了。
大紅斑是位于赤道南側(cè)、長達2萬多公里、寬約1.1萬公里的一個紅色卵形區(qū)域。從17世紀中葉，人們就開始對它進行時斷時續(xù)的觀測，1879年以后，開始對它進行連連續(xù)的記錄，并發(fā)現(xiàn)它在1879～1882年，1893～1894年，1903～1907年，1911～1914年，1919～1920年，1926～1927年，特別是在1936～1937年，1961～1968年，以及1973～1974年這些年代中，變得顯眼和色彩艷麗。在其他時間，顯得暗淡，只略微帶紅，有時只有紅斑的輪廓。
大紅斑是個什么結(jié)構(gòu)？為什么是紅色的？如何能持續(xù)這么長的時間？要了解這些問題，僅憑地面觀測實在是無能為力的。
按照科學家雷蒙·哈依德的理論，大紅斑是位于其下面的某種像山一類的永久特征所造成的大氣擾動。但是“先驅(qū)者”發(fā)現(xiàn)木星表面是流體，完全排除了木星外層具有固態(tài)結(jié)構(gòu)表面的可能性，上述理論也就是自然被揚棄了。
“旅行者1號”發(fā)回的照片使人清晰地看到，大紅斑宛如一個以逆時針方向旋轉(zhuǎn)的巨大漩渦，其浩翰寬闊足以容納好幾個地球。從照片上還可以分辨出一些環(huán)狀結(jié)構(gòu)。仔細研究后，科學家們認為，在木星的表面覆蓋著厚厚的云層，大紅斑是聳立于高空、嵌在云層中的強大旋風，或是一團激烈上升的氣流所形成的。
在木星上，類似大紅斑的特征還有一些。譬如，在大紅斑的偏南處，有3個白色卵形結(jié)構(gòu)，它們首次出現(xiàn)于1938年。另外，1972年，地面觀測發(fā)現(xiàn)木星的北半球上出現(xiàn)一個小紅斑，18個月以后“先驅(qū)者10號”到達木星時，發(fā)現(xiàn)其形狀和大小幾乎同大紅斑相似。再過一年，“先驅(qū)者 11號”經(jīng)過木星時，這個紅斑竟蹤跡皆無，看來這個紅斑只存在了兩年左右。
木星上的斑狀結(jié)構(gòu)一般持續(xù)幾個月或幾年，它們的共同特點是在北半球作順時針方向旋轉(zhuǎn)，在南半球作逆時針旋轉(zhuǎn)。氣流從中心緩慢地涌出，然后在邊緣沉降，遂形成橢圓形狀。它們相當于地球上的風暴，不過規(guī)模要大得多，持續(xù)時間也長得多。
木星云的絢麗多彩，證明木星大氣有著十分活躍的化學反應。在探測器拍攝的照片上，可以看到木星大氣明暗交錯的云帶圖形。從南極區(qū)到北極區(qū)依稀可辨17個云區(qū)或云帶。它們的顏色、亮度均不相同，也許是氨晶體所組成；褐色云帶的云層要深些，溫度稍高，因而大氣向下流動；藍色部分則顯然是頂端云層中的寬洞，通過這些空隙，方可看到晴朗的天空。藍云的溫度最高，紅云的溫度最低。據(jù)判斷，大紅斑是一個很冷的結(jié)構(gòu)。令人不解的是，如果按平衡狀態(tài)而言，所有的云彩都應該是白色的，只有當化學平衡被破壞后，才會出現(xiàn)不同的顏色。那么，是什么破壞了化學平衡呢？科學家們推測，可能是荷電粒子、高能光子、閃電，或是沿垂直方向穿過不同溫度區(qū)域的快速物質(zhì)運動。
大紅斑的橙紅色一直使人困惑不解。有人認為是大紅斑中上升氣流形成的云中放電現(xiàn)象。為此，美國馬里蘭大學的一位名叫波南貝羅麥的博士做了一個有趣的實驗。他在一只長頸瓶中放上木星大氣中存在的一些氣體，如甲烷、氨、氫等，對這些氣體施加電火花作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)原先無色的氣體變成云狀物，一種淡紅色的物質(zhì)沉淀在瓶壁上。這個實驗為人們解開大紅斑顏色之謎似乎提供了某種有益的啟示。相當一部分天文學家認為，磷化物可以說明大紅斑的顏色。
自從卡西尼發(fā)現(xiàn)大紅斑以來，到今天已有300多年了，它為什么能持續(xù)如此長的時間呢？有人認為木星的大氣又密又厚是大紅斑長壽的主要原因，但這只是一種猜測。
大紅斑和木星上其他卵形結(jié)構(gòu)的長壽，主要包含兩個問題：一個是這些斑狀結(jié)構(gòu)必須是穩(wěn)定的，不然它們只能存在幾天；另一個就是能源問題，一個穩(wěn)定渦流如果沒有能源維持，很快就會下沉。
候補的“太陽”
木星難道僅僅是行星嗎？為什么不能把它看作是顆未來的恒星，看作是正在向恒星方向發(fā)展的天體呢？讀者也許會驚訝：這樣提問題是否太荒唐了？本世紀80年代初，前蘇聯(lián)科學家蘇切科夫提出木星也許是顆正在發(fā)展中的恒星這種新見解之后，確實遭到了不少非議。但是，蘇切科夫的意見也并非“空中樓閣”，毫無依據(jù)。他的主要觀點是：木星內(nèi)部在進行熱核反應，它有自己的熱核能源，應該歸到“能自己發(fā)熱、發(fā)光”的恒星類天體里去。
事情真是那樣子嗎？
木星離太陽比地球遠得多，它接受到的太陽輻射也少得多，表面溫度理所當然要低得多。根據(jù)計算得出的結(jié)果，木星表面溫度應該是零下168攝氏度?？墒牵孛嬗^測得出來的溫度是零下 139攝氏度，與計算值相差近30攝氏度，這無論如何不可能是由誤差造成的。讓探測器在木星附近進行測量，準確程度理應更高些。“先驅(qū)者11號”于1974年12月飛掠木星時，測得的木星表面溫度為零下148攝氏度，仍比理論值高出不少，說明木星有自己的內(nèi)部熱源。
對木星進行紅外線測量也反映出類似情況。如果木星內(nèi)部沒有熱源，它吸收到的熱量和支出的應該達到平衡，地球和水星等類的行星的情況正是這樣。木星卻不然，它是支大于入，約大1.5～2.0倍，這超支的能量從哪里來呢？很明顯，只能由它自己內(nèi)部的熱源予以補貼。
木星是一顆以氫為主要成分的天體，這與我們的地球有很大的差異，而與太陽相似。木星與太陽這兩個天體的大氣，都包含約90％的氫和約10％的氦，以及很少量的其他氣體。關于木星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在建立的模型認為它的表面并非固體狀，整個行星處于流體狀態(tài)。木星的中心部分大概是個固體核，主要由鐵和硅組成，那里的溫度至少可以有30000度。核的外面是兩層氫，先是一層處于液態(tài)金屬氫狀態(tài)的氫，接著是一層處于液態(tài)分子氫狀態(tài)的氫；這兩層合稱為木星幔。再往上，氫以氣體狀態(tài)成為大氣的主要成分。
具有如此結(jié)構(gòu)的天體，其中心能否發(fā)生熱核反應而產(chǎn)生出所需的能量來呢？許多人認為是可疑的，甚至不可能的。況且木星的質(zhì)量并沒有達到太陽質(zhì)量的0.07。
比起太陽來，木星確實有點“小巫見大巫”。稱“霸”其他行星的木星，體積只有太陽的千分之一，質(zhì)量只及太陽的1／1047，即約0.001個太陽質(zhì)量，而中心溫度也只有太陽的五百分之一。有人認為，這并不妨礙木星內(nèi)部存在熱源，因為它是在木星形成過程中產(chǎn)生并積累起來的。
前蘇聯(lián)學者蘇切科夫等的意見是頗為新穎的，他認為木星內(nèi)部正進行著熱核反應，核心的溫度高得驚人，至少有28萬度，而且還將變得越來越熱，釋放更多的能量。釋放的速度也將進一步加快。換句話說，木星在逐漸變熱，最終會變成一顆名副其實的恒星。
我國學者劉金沂對行星亮度的研究，從一個側(cè)面提供了證據(jù)。他發(fā)現(xiàn)在過去很長的一段歷史時期里，水星、金星、火星和土星的亮度都有減小的趨勢，唯獨木星的亮度在增大。如果前述四行星的亮度減小與所謂的太陽正在收縮、亮度在減弱有關，那么，木星亮度增大的原因一定是在木星本身。劉金沂得出的結(jié)論是：在最近2000年中，木星的亮度每千年增大約0.003等。這無異對蘇切科夫等的觀點作了注釋。
此外，太陽不僅每時每刻向外輻射出巨大的能量，同時也以太陽風等形式持續(xù)不斷地向外拋射各種物質(zhì)微粒。它們在行星際空間前進時，木星自然會俘獲其中相當一部分。這樣的話，一方面木星的質(zhì)量日積月累不斷增加，逐漸接近和達到成為一個恒星所必需的最低條件；另一方面，在截獲來自太陽的各種粒子時，木星當然也就獲得了它們所攜帶的能量。換言之，太陽以自己的日漸衰弱來促使木星日漸壯大，最后達到兩者幾乎并駕齊驅(qū)的程度，使木星成為恒星。
這樣的過程據(jù)說大致需要30億年的時間。那時，現(xiàn)在的太陽系將成為以太陽和木星為兩主體的雙星系統(tǒng)；也有可能木星在其“成長”的過程中，把一些小天體俘獲過來，建立以自己為中心天體的另一個“太陽系”，與仍以現(xiàn)在太陽為中心天體的太陽系，平起平坐。不管是哪種形式的變化，目前太陽系的全部天體，包括大小行星乃至彗星等，都將有較大幅度的變動。
這種大變遷會帶來什么后果呢？特別是地球和地球上的人類該怎么辦呢？一種觀點認為，事物發(fā)生變化那是必然的，至于是否像前面提到的那樣，木星變成恒星那樣的天體，這只是一家之見，何況還有30億年的漫長歲月呢！
像木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)之類的問題，本來就是一個假說不少、爭論頗多的領域，蘇切科夫等人的觀點只不過使得爭論更加熱烈而已。在目前的觀測水平和理論水平不完善的情況下，像“木星是否正在向恒星方向演變”之類的重大自然科學之謎，不僅現(xiàn)在無法解答，即使是在可以預見到的將來，恐怕也未必能理出個頭緒。它無疑將會在很長的一段歷史時期里，一直成為科學家們孜孜不倦地探討的課題。
木星的衛(wèi)星
在宇宙飛船探測木星之前，人們知道木星有13顆衛(wèi)星。科學家們從“旅行者2號”發(fā)回的照片上又發(fā)現(xiàn)了3顆，共有16顆木衛(wèi)（可能有無數(shù)衛(wèi)星）。按距離木星中心由近及遠的次序為：木衛(wèi)十六、木衛(wèi)十四、木衛(wèi)五、木衛(wèi)十五、木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四、木衛(wèi)十三、木衛(wèi)六、木衛(wèi)十、木衛(wèi)七、木衛(wèi)十二、木衛(wèi)十一、木衛(wèi)八和木衛(wèi)九。它們都圍繞著木星公轉(zhuǎn)，離木星最遠的木衛(wèi)九與木星的距離比地球和月亮的距離遠60倍，它繞木星公轉(zhuǎn)一周需要758天。
木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四于16I0年由伽利略發(fā)現(xiàn)，稱為伽利略衛(wèi)星。1892年巴納德用望遠鏡發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)五，其他衛(wèi)星都是1904年以后用照相方法陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的?！奥眯姓咛枴憋w船于1979年發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)十四，1980年又先后發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)十五和木衛(wèi)十六。除四個伽利略衛(wèi)星外，其余的衛(wèi)星半徑多是幾公里到20公里的大石頭。木衛(wèi)三較大，其半徑為2631公里。
木衛(wèi)可分為三群：最靠近木星的一群——木衛(wèi)十六、木衛(wèi)十四、木衛(wèi)五、木衛(wèi)十五和四顆伽利略衛(wèi)星等8顆，軌道偏心率都小于0.01，順行，屬于規(guī)則衛(wèi)星；其余均屬不規(guī)則衛(wèi)星。離木星稍遠的一群衛(wèi)星——木衛(wèi)十三、木衛(wèi)六、木衛(wèi)十及木衛(wèi)七，偏心離為0.11～0.21，順行。離木星最遠的一群——木衛(wèi)十二、木衛(wèi)十一、木衛(wèi)八及木衛(wèi)九，偏心率0.17～0.38、逆行。
木星的四個伽利略衛(wèi)星和木衛(wèi)五的軌道幾乎在木星的赤道面上?！奥眯姓?號”對這五顆衛(wèi)星作了考察。
木衛(wèi)五是天文學家巴納德于1892年在木衛(wèi)一的軌道內(nèi)發(fā)現(xiàn)的，形狀呈卵形?！奥眯姓?號”發(fā)現(xiàn)它為淺灰色，上有一個長約130公里、寬200～220公里的微紅區(qū)域。木星光環(huán)正位于木衛(wèi)五的軌道里。
木衛(wèi)一是16顆衛(wèi)星中最著名的一顆，離木星很近，平均距離約42萬千米。它的體積并不是很大，直徑約3640千米，密度和大小有些類似月球，呈球狀，整個表面光滑而干燥，有開闊的平原、起伏的山脈和長數(shù)千千米、寬百余千米的大峽谷，還有許多火山盆地。它的顏色特別的鮮紅，比火星還紅，可能是太陽系中最紅的天體，上空由稀薄的二氧化硫大氣及鈉云所包圍，并有很頻繁的火山活動。旅行者1號探測器在木衛(wèi)一的表面共發(fā)現(xiàn)了9座火山，火山的噴發(fā)高度為70～300千米，噴發(fā)速度平均每秒1000米，比地球火山爆發(fā)大。這些火山不斷地噴出由二氧化硫組成的煙，降落在木衛(wèi)一的表面。這些煙是本星磁層中許多粒子的主要來源，也就是木星磁層中輻射帶最強的部分。木衛(wèi)一是迄今在太陽系中所觀測到的火山活動最為頻繁和激烈的天體，這一發(fā)現(xiàn)給天文學家對太陽系天體的研究提供了新的啟示。
木衛(wèi)二是一顆體積比月球小，但密度和月球差不多，表面非常光滑，被大量的冰覆蓋著，好像是一個冰與奶油巧克力混合而成的大球體。所以從望遠鏡中看是一顆顯得非常明亮的天體。木衛(wèi)二的另一特征是冰面上布滿了許多縱橫交錯、密如蛛網(wǎng)的明暗條紋，很可能是冰層的裂縫。在木衛(wèi)二的表面覆蓋一層50千米厚的海洋，海洋的上面又覆蓋著一層約5千米厚的冰層，也許這就是木衛(wèi)二的表面如此光滑，反照率又這么高的原因。
木衛(wèi)三是木星最大的一顆衛(wèi)星，它的體積比水星大，表面呈黃色，可分為蓋滿冰層的明亮區(qū)和冰上堆積著巖質(zhì)灰塵的黑暗區(qū)，并有幾處橫向錯開的斷層、線狀地形、互相平形的山脊與深溝。這些線狀地形互相重疊，顯示它們形成的年代不同。因此，天文學家推斷，木衛(wèi)三可能曾經(jīng)發(fā)生過類似地球的板塊活動。
木衛(wèi)四的表面布滿了密密麻麻的隕石坑，最明顯的特征是一個像牛眼似的白色核心，外面被一層圓環(huán)包圍著，類似同心圓盆地，直徑達600～1500千米。木衛(wèi)四除了坑洞以外再也找不到其他特殊的地形，因而推斷它是太陽系中最古老的衛(wèi)星表面，在很早以前就終止了內(nèi)部活動。
每顆伽利略衛(wèi)星都有自己的特點，它們的表面、顏色、地殼構(gòu)造和我們熟悉的行星很不相同。通過對伽利略衛(wèi)星的研究，我們對太陽系有了更新的認識。
1610年1月，大物理學家伽利略用望遠鏡首先觀測到木星的4顆衛(wèi)星，即木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四。后人統(tǒng)稱它們?yōu)榧侠孕l(wèi)星。以后很長一段時間，人們沒有再發(fā)現(xiàn)木星的衛(wèi)星，直到1892年巴納德才發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)五。爾后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)六、七……。1974年，發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)十三。1979年“旅行者”探測器遨游木星時，又發(fā)現(xiàn)了3顆木星衛(wèi)星。這16顆衛(wèi)星連同木星一起，組成了一個龐大的系統(tǒng)，稱為木星系，不少人認為它是一個微型太陽系，對研究太陽系形成和演化的天文學家來說，它是一個令人心馳神往的世界。
木星的4顆枷利略衛(wèi)星和木衛(wèi)五的軌道幾乎都在木星的赤道面上。1979年，探測器“旅行者1號”對這5顆衛(wèi)星一一起進行了考察，其中對木衛(wèi)一的考察尤其詳細，并第一次發(fā)現(xiàn)了地球之外的火山爆發(fā)現(xiàn)象。
木衛(wèi)一離木星很近，平均距離約42萬公里，它的直徑約3640公里，質(zhì)量為89億億億克。無論從大小、質(zhì)量以及離行量的距離來看，木衛(wèi)一都和地球的衛(wèi)星——月亮比較相似。木衛(wèi)一的視星等只有4.9等，而且又被木星的光輝所淹沒，因此用肉眼是無法看到它的。
在發(fā)射“旅行者”之前，天文學家就覺得木衛(wèi)一有些奇怪。首先是它的顏色，紅得十分耀眼，比火星還紅，可能是太陽系中最紅的天體。其次，從它的紅外線或雷達的反射特征上來看，在某些年份里，它似乎不斷在在發(fā)生著某種變化。再有，就是不知什么原因，木衛(wèi)一在運行軌道上遺落下一些硫、鈉和鉀的微粒。正因為如此，天文學家對木衛(wèi)一的探測特別感到興趣盎然。
當探測器接近木衛(wèi)一時，發(fā)現(xiàn)它的表面五光十色，這種奇特景象在太陽系的其他星球上是絕無僅有的。木衛(wèi)一與小行星區(qū)相鄰，照理說，它應受到小行星區(qū)散落物的不斷沖擊而變得傷痕累累，斑跡重重，但從“旅行者1號”所拍攝的照片來看，木衛(wèi)一上根本不存在直徑大于1公里的撞擊隕石坑。這就奇怪了。我們知道，在太陽系許多行星和衛(wèi)星表面，隕石撞擊的坑穴比比皆是，尤其是在像水星和月球這些沒有空氣的行星和衛(wèi)星上。我們地球表面上早期也存在著大量的隕石坑，只是由于水、風等因素的長期侵蝕和風化作用，才使許多隕石坑逐漸消逝，但現(xiàn)在仍然可以發(fā)現(xiàn)一些。據(jù)有的科學家考證，江蘇的太湖可能就是一個隕石坑。而木衛(wèi)一上很冷，根本沒有流動的水，也沒有稠密的大氣，因此也就談不上水蝕和風化作用。另外，從“旅行者2號”拍攝的照片來看，木衛(wèi)二的外貌有些像月球，即使在低分辨率的照片上，也能分辨出許多撞擊隕石坑。同樣是木星的衛(wèi)星，又處于近乎相同的空間環(huán)境，為什么兩者在地貌上會有如此大的差異呢？
看來，木衛(wèi)一受隕星轟擊是在所難免的，一定是某些更激烈的活動過程毀壞了或掩蓋了隕星坑。不少天文學家想到了這種激烈過程可能是火山，由于經(jīng)常發(fā)生規(guī)模巨大的火山爆發(fā)，不斷把地下物質(zhì)帶到衛(wèi)星表面，形成新的表面物質(zhì)，所以木衛(wèi)一的表面看起來好像是昨天才形成的，十分年輕。
在“旅行者1號”到達木星之前不久，木衛(wèi)一的一種新的能源被證實，那就是斯坦頓·比爾和他的助手們提出的潮汐生熱。在以前，人們幾乎從來沒有重視過這個潛在的巨大能源。根據(jù)比爾等人的計算，木衛(wèi)一內(nèi)部的大部分物質(zhì)，由于潮汐生熱過程而熔化成為液態(tài)。比爾等認為，木衛(wèi)一上應該有噴發(fā)的火山。木衛(wèi)一內(nèi)部的硫磺，在表面附近熔化、集中后，在火山的作用下，形成了液態(tài)硫地下海。當固態(tài)硫加熱到大約 115℃時，就會熔化，而且會改變顏色。加熱的溫度越高，顏色就變得越深。假如熔化的硫磺迅速冷卻，又會恢復它原來的顏色。我們在木衛(wèi)一上看到的不同顏色，很像火山口噴出的液態(tài)硫：火山頂端的呈黑色，溫度最高；火山附近形成的河流狀態(tài)硫，呈紅色及桔黃色；遍布在平原部分的硫呈黃色。
木衛(wèi)一本身不發(fā)光，要想直接觀測木衛(wèi)一上的火山爆發(fā)現(xiàn)象，活動火山必須位于衛(wèi)星明暗交界處附近。這樣，陽光可以照亮在黑暗天空背景襯托下的火山噴發(fā)物，即使是“旅行者”探測器也不例外。
1979年3月9日，“旅行者”號飛行控制組的一位名叫莫拉比圖的女工程師，通過計算機強化木衛(wèi)一邊緣圖像時，發(fā)現(xiàn)一股耀眼的煙云正從衛(wèi)星表面噴射出來。不久，她就確定了噴出物的位置正好在一個被推測的火山口上。比爾等人的預言證實了，“旅行者”號發(fā)現(xiàn)了地球之外的第一個活火山。以后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了8個正處于不同程度的連續(xù)噴發(fā)之中的火山，從而使木衛(wèi)一榮獲“擁有最多活火山的天體”的稱號。
木衛(wèi)一火山爆發(fā)時所形成的羽毛狀“噴泉”，給人們留下難忘而又美好的印象。由于木衛(wèi)一的引力很小，又不存在空氣，使火山噴出來的氣體、塵埃拋得很高，然后緩緩地落下，形成一種對稱的傘形結(jié)構(gòu)。即接近中心的部分密度高；離中心越遠，密度越低，因而稱為傘形羽狀物。科學家就是從“旅行者1號”拍攝的8個羽狀物中，獲得木衛(wèi)一上有火山活動的直接證據(jù)的。
與地球相比，木衛(wèi)一的火山活動規(guī)模是十分壯觀的。在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的羽狀物中，最大的一個直徑為1000公里，噴射高度達280公里，僅中央噴流的底部直徑就有37公里。從分布上說，8個羽狀物中有7個集中在赤道±30°左右，而沿經(jīng)度方向大體上是隨機分布的。據(jù)猜測，這種分布可能同木星對本衛(wèi)一的潮汐作用相關。
這些羽狀物有著共同的特征：中央部分有一個暗黑的區(qū)域，噴發(fā)物即由此被拋出，核心部分有一圈不規(guī)則的或圓形的亮環(huán)圍繞著，在亮環(huán)外圍是一片范圍更大的擴散區(qū)域?？茖W家仔細地分析了“旅行者1號”的觀測資料，發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)一上的許多區(qū)域都有這種特征。有的火山位于邊緣附近，但沒觀測到羽狀物噴發(fā)；有的不是在邊緣找到的，因而更無法判斷是否有過火山爆發(fā)。但不能否認，這些地區(qū)在不久前可能有過爆發(fā)。照這么說來，木衛(wèi)一上的火山活動不僅規(guī)模大，而且所涉及的區(qū)域也是相當廣泛的。
在根據(jù)“旅行者1號”觀測資料所繪制的木衛(wèi)一地圖上，可以找到大大小小300多個不活動的火山口，其中直徑大于20公里的有200來個，最大的竟達250公里。它們深淺不一，最深的達1公里，它們在木衛(wèi)一表面上近乎隨機分布。地球的陸地總面積是木衛(wèi)一總表面積的3.5倍，但直徑大于 20公里的火山口一共只有15個左右，相比之下，木衛(wèi)一上火山活動的劇烈程度就不難想象了。
科學家對木衛(wèi)一的一些現(xiàn)象產(chǎn)生的疑惑和不解，隨著木衛(wèi)一上火山活動的發(fā)現(xiàn)而釋然了。
由于經(jīng)常發(fā)生大規(guī)模的火山爆發(fā)，木衛(wèi)一表面的更新速率非常高，可以“隨時”把撞擊隕石坑掩埋掉。根據(jù)觀測估算，由于火山爆發(fā)，平均每年可以在木衛(wèi)一表面覆蓋一層厚約1毫米的物質(zhì)，所以木衛(wèi)一的表面看起來總是那么年輕。
木衛(wèi)一表面的另一特征就是與火山密切相關的火山流，它們一般出現(xiàn)在衛(wèi)星表面的橙黃色區(qū)域。大部分火山流又長又窄，呈暗黑色，很顯然，它們是從破火山口放射出來的暗流。許多火山流是由硫構(gòu)成的，硫的熔化溫度較低，再加上木衛(wèi)一地殼的熱導率很低，于是火山流蔓延得很長、很遠，最長可達300公里。由于硫的染色作用，使木衛(wèi)一成為太陽系里最紅的天體。
由于木衛(wèi)一上火山噴發(fā)得非常高，非常遠，以致它們的部分噴發(fā)物可以直接進入太空，圍繞木星運動。處于木衛(wèi)一軌道上的那些微粒環(huán)的來源可能就是這些火山噴發(fā)物。一種意見認為，這些微粒，盤旋著逐漸移向木星，覆蓋了在木衛(wèi)一軌道內(nèi)側(cè)而靠得很近的木衛(wèi)五，遂使木衛(wèi)五也變紅了。照這樣推測，木衛(wèi)一噴發(fā)的物質(zhì)中，相當一部分很有可能歷盡坎坷最后匯入到木星的環(huán)形系統(tǒng)。
關于火山噴發(fā)的熱源，科學家大都同意比爾等人的理論：木衛(wèi)一處于木星的強大引力場中，可能由相鄰的其他木衛(wèi)的潮汐攝動引起，這與地球上的火山可能靠放射性元素的蛻變，加熱地核這些因素不同。
木衛(wèi)一是迄今在太陽系中所觀測到的火山活動最為頻繁、最為激烈的天體，這一發(fā)現(xiàn)使天文學家對太陽系，特別是對木星系的認識豐富了不少，為今后太陽系天體的研究提供了新的啟示。但是關于木衛(wèi)一火山爆發(fā)，人們還存在著一些至今尚未解決的問題，譬如木衛(wèi)一噴射出來的是富硫的硅酸鹽物質(zhì)呢，還是一種新型的、完全由硫和硫化物組成的物質(zhì)？
人類探索木星的情況
為了探測太陽系外圍空間的物理情況，迄今為止，共發(fā)射了4艘宇宙飛船，即“先驅(qū)者” 10號、 11號，“旅行者” 1號和2號。它們都肩負著美國宇航局的重大科學考察項目?！跋闰?qū)者10號”于1972年3月2日上午，一路上考察了行星際物質(zhì)；1973年12月3日與木星會合，在離木星13萬公里處飛掠而過，探測到木星規(guī)模宏大的磁層，研究了木星大氣，送回300多幅木星云層和木星衛(wèi)星的彩色電視圖像?！跋闰?qū)者11號”飛船于1973年4月6日發(fā)射，1974年12月5日到達木星。它離木星表面最近時只有4.6萬公里，比“先驅(qū)者10號”近兩倍。送回有關木星磁場、輻射帶、重力、溫度、大氣結(jié)構(gòu)以及4個大衛(wèi)星的情況，并按地面指令調(diào)整航向，飛越在地面因視角不合適而難于觀測的木星南極地帶?！跋闰?qū)者11號”在完成任務后，向著土星飛去。1977年8月20日和9月5日，美國又相繼發(fā)射了“旅行者1號”和“旅行者2號”飛船。這兩艘飛船在儀器設備方面比“先驅(qū)者”10號和11號先進?！奥眯姓?號”于1979年3月飛臨木星，在3天之內(nèi)探測了木星和4個伽利略衛(wèi)星，以及木衛(wèi)五，拍攝了數(shù)以千計的彩色照片，并進行了一系列科學考察?！奥眯姓?號”于1979年7月飛臨木星，對木星進行了考察。兩艘飛船在離開木星后，還要繼續(xù)探測土星、天王星和海王星，然后飛出太陽系，到茫茫的宇宙中去尋找知音。
伽利略是世界第一架天文望遠鏡的發(fā)明者和 4顆木星衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)者。1989年，美國宇航局發(fā)射了以他的名字命名的一個木星探測器，預定在1995年12月飛抵木星。據(jù)說，它是迄今發(fā)射的最復雜、最先進的行星探測器。
科學家賦予“伽利略”探測器三項使命：（1）探測木星大氣層，包括化學組成、同位素比例、木星大氣層垂直結(jié)構(gòu)的輪廓圖；木星大氣層溫度、壓力輪廓圖；木星云層的位置和結(jié)構(gòu)；大氣輻射能的平衡；木星閃電的出現(xiàn)頻率及其特征等資料。（2）木星的衛(wèi)星情況，提供木星系形成與演化的研究資料。 （3）了解木星磁層結(jié)構(gòu)的特征。
受到“伽利略號”成功的鼓舞，又研制了一個飛向土星的太空探測器，并且為了紀念卡西尼當年發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)的環(huán)縫，就把這顆太空探測器取名為“卡西尼號”。
參加“卡西尼號”土星探測計劃的國家一共有17個，它是人類進入空間時代以來最激動人心的大型國際合作課題之一。“卡西尼號”直徑3米，高7米，重6.4噸，攜帶了27種最先進的科學儀器設備。“卡西尼號”還攜帶了一個專門用于探測土星最大衛(wèi)星土衛(wèi)六的探測器，取名為“惠更斯號”。
“卡西尼號”在北京時間1997年10月15日16時43分發(fā)射升空。如果僅僅依靠火箭的推力直接飛向土星，并要求它像現(xiàn)在這樣在7年之內(nèi)飛到土星，那么使用的燃料決不能少于70噸。然而，人類至今還不能制造可以攜帶這么多燃料的火箭。因此，“卡西尼號”采用了與“伽利略號”類似的辦法，借用行星的引力來加快速度。
“卡西尼號”發(fā)射后，首先于1998年4月在距金星284千米處飛掠，利用金星引力獲得加速。之后，它繞太陽一圈，于1999年6月再次在距金星600千米處飛掠，獲得金星引力的第二次加速。同年8月，“卡西尼號”在距地球1171千米處飛掠，被地球引力再次加速。
“卡西尼號”第二次離開地球后，才飛往太陽系的外層。2000年12月，它在距木星約1000萬千米處飛掠，獲得了木星引力的加速。這時，它的速度超過了每秒30千米。然后，它才向目的地土星飛去。
土星離開地球的距離，最近時不到13億千米，最遠時也不超過16億千米，然而“卡西尼號”由于采用了上述迂回的飛行路線，飛往土星的行程長達35億千米。不過，磨刀不誤砍柴功，飛行的時間并沒有因此增加，而燃料卻大大節(jié)省了。
進入環(huán)繞土星軌道
北京時間2004年7月1日上午，“卡西尼號”已經(jīng)來到了土星近旁。這時候的“卡西尼號”，離開我們的距離超過15億千米，以至于它與地球之間的無線電通信聯(lián)系，盡管無線電波以光速傳播，可是單程就要花84分鐘。于是，對于在“卡西尼號”發(fā)生的事情，就有了兩個時間，一個是在“卡西尼號”上的時鐘記錄下來的一件事情真正發(fā)生的時間，另一個則是我們地球上的時鐘記錄下來的我們“看到”這件事情發(fā)生的時間，后一時間比前一時間晚84分鐘。
下面，我們還是以地球上“看到”事情發(fā)生的時間為準，而且，我們采用北京時間來表示地球時間。
“卡西尼號”的任務之一就是對土星的光環(huán)進行探測。盡管它初來乍到，然而入軌過程本身，就是在預期4年的探測運行中一個絕好的與土星距離最近的機會，它與土星表面云層頂部的距離最近時只有大約2萬千米?？茖W家自然不會放過這個機會開展對土星光環(huán)的探測，因此在它入軌的過程中安排了兩次穿越土星光環(huán)。
整個入軌過程，包括兩次穿越光環(huán)，每一個步驟，都是預先經(jīng)過精密計算設定的，由電腦控制著所有事情有條不紊地進行。
