一位業(yè)余天文學(xué)家使用古老技術(shù)觀測木星——竟然發(fā)現(xiàn)怪異現(xiàn)象
“天文學(xué)家總是會(huì)優(yōu)先采用簡單模型，除非有確鑿證據(jù)表明該模型確實(shí)存在缺陷?！?/p>
木星圖像（圖片來源：NASA/ESA/Amy Simon（NASA-GSFC））
木星的標(biāo)志性漩渦云層竟然不是氨冰晶組成的！科學(xué)家與業(yè)余天文學(xué)家聯(lián)手揭開了這一奧秘，該發(fā)現(xiàn)徹底改寫了人類對這顆氣態(tài)巨星的基礎(chǔ)認(rèn)知。
業(yè)余天文學(xué)家史蒂夫·希爾用市面上能買到的望遠(yuǎn)鏡搭配光譜濾鏡，本打算繪制木星天氣中的氨含量分布圖，沒想到分析數(shù)據(jù)時(shí)竟發(fā)現(xiàn)根本性矛盾——這顆氣態(tài)巨星的大氣成分與所有現(xiàn)存模型預(yù)測的結(jié)果都不吻合。
牛津大學(xué)行星科學(xué)家帕特里克·歐文面對Space.com說：“這事有點(diǎn)意思！剛聽說史蒂夫的觀測方案時(shí)，我心里有些懷疑——區(qū)區(qū)民用級設(shè)備真能繪制出高精氨分子分布圖？”但是當(dāng)數(shù)據(jù)被一層層剝開，疑云逐漸被興奮取代，這位科學(xué)界大牛不得不承認(rèn)：“希爾怕是摸到了門道！”
木星的大氣成分主要是氫和氦，其中還含有少量的氨、甲烷、水蒸氣及其其他氣體。這些微量成分在不同的大氣高度發(fā)生凝結(jié)，形成反射陽光的云層系統(tǒng)，造就了木星獨(dú)特的外觀特征。由于氨在所有已知?dú)怏w中具有最低的凝結(jié)壓閥值，且已證實(shí)存在木星大氣中，科學(xué)界長期認(rèn)為這顆氣態(tài)巨星上層大氣可見的云層應(yīng)由氨冰構(gòu)成。
“天文學(xué)家總是傾向于采用最簡單的理論模型，除非出現(xiàn)顛覆性證據(jù)迫使其修正。歐文解釋道：“由于我們能在木星的大氣中觀測到氨氣，學(xué)界便理所當(dāng)然的認(rèn)為其表面可見云層主要由氨冰構(gòu)成?！边@段合作始于2023年，當(dāng)時(shí)希爾在英國天文協(xié)會(huì)報(bào)告了突破性觀測成果之后，通過協(xié)會(huì)的共同聯(lián)系人結(jié)識了歐文?！笆返俜蛳Ｍc專業(yè)的天文學(xué)家合作驗(yàn)證其研究方法的科學(xué)性，”歐文回憶道，“他采用的光譜分析法實(shí)際源于上世紀(jì)七八十年代的技術(shù)路線——通過紅色波段中氨與甲烷的可見光吸收來分析大氣成分。這種方法雖廣為人知，卻已在學(xué)界沉寂多年。”
該技術(shù)為吸收帶深度分析法，其原理是通過檢測氣體在特征波長下的光線吸收量來測算濃度——此次研究對象為甲烷和氨氣。
希爾利用甲烷（619納米）和氨氣（647納米）的吸收帶來計(jì)算木星云層頂部這兩種氣體的豐度，這兩個(gè)波段是木星可見光譜中眾所周知的特征。甲烷在619納米處的吸收是一個(gè)可靠的參考基準(zhǔn)，因?yàn)榧淄榈呢S度已經(jīng)被充分的掌握，其吸收性可用于確定大氣壓力層級。通過將此與氨氣在647納米處的吸收進(jìn)行對比，希爾得以計(jì)算出木星云層中氨氣的分布，并繪制出具有驚人高精度的分布圖。
“我們已知甲烷在木星大氣中混合均勻，并且對其豐度已有較準(zhǔn)確的估算，”歐文進(jìn)一步解釋道，“通過分析這兩個(gè)吸收帶觀測影像的反射差異，我們技能確定云頂壓力，又能推算出氨氣的相對豐度。”
研究團(tuán)隊(duì)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，木星大氣中的反射光來自于云層深處——那里的環(huán)境壓力遠(yuǎn)高于氨氣凝結(jié)所需的條件，溫度也過高。歐文指出：“觀測數(shù)據(jù)顯示，主反射層的實(shí)際位置比理論預(yù)測的氨氣凝結(jié)層（0.7巴壓力層）要深得多，真實(shí)存在于2-3巴壓力區(qū)間?！?/p>
基于這一發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)必須重新審視木星云層的主要成分——氨冰已無法滿足觀測數(shù)據(jù)。通過大氣模型推演，科學(xué)家提出木星云層更可能由硫化氫氨構(gòu)成，同時(shí)包含大氣光化學(xué)反應(yīng)生成的霧霾物質(zhì)。這一推斷的重要依據(jù)在于，純冰晶的光譜特征與木星云層的實(shí)際色澤存在顯著差異。
“不過這種成分的構(gòu)成尚未完全確定，”歐文在補(bǔ)充說明時(shí)強(qiáng)調(diào)，“學(xué)界還有另一種假說認(rèn)為，木星云層可能是水與氨在特殊環(huán)境下形成的復(fù)合型結(jié)構(gòu)?！?/p>
他繼續(xù)說道，這表明木星的大氣中存在復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)。“在大多數(shù)區(qū)域，氨的光解和消耗速度快于其被抬升的速度。因此，純氨冰云相當(dāng)罕見，并僅限于少數(shù)強(qiáng)對流的區(qū)域。”歐文解釋道。
希爾的觀測共和理論在歐文的幫助下得到了驗(yàn)證，他們利用更先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行比對，分析了來自歐洲南方天文臺（ESO）超大望遠(yuǎn)鏡（VLT）的MUSE儀器，超大天線陣（VLA）以及NASA朱諾號探測器的數(shù)據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)意義重大，不僅確認(rèn)了這些激動(dòng)個(gè)人心的研究成果，還讓對木星及類似行星（如土星）的觀測更加便捷和高效。
“氨的分布情況是研究木星天氣的重要線索，這對于理解木星及類似行星至關(guān)重要?！毕栐谒ツ臧l(fā)表在《地球與空間科學(xué)》期刊的論文中寫道。
盡管這是一個(gè)激動(dòng)人心的突破，科學(xué)家們也承認(rèn)仍存在需要解決的局限性。例如，目前的結(jié)果依賴于一個(gè)假設(shè)的“垂直”氨分布模型，而科學(xué)家通常認(rèn)為這一分布是恒定的。
“實(shí)際上，在氨凝結(jié)層以下，氨的分布更可能隨高度變化，但是我們的觀測數(shù)據(jù)難以對此加以約束，”歐文說到，“我們需要更仔細(xì)的加以比較VLT/MUSE、Juno和VLA的數(shù)據(jù)。一種模型應(yīng)該能夠解釋所有觀測結(jié)果，但我們需要反復(fù)調(diào)整，以弄清木星大氣不同區(qū)域的氨垂直分布情況?！?/p>
天文學(xué)家還將他們的方法應(yīng)用于土星觀測，發(fā)現(xiàn)主云層的反射發(fā)生在比此前預(yù)期更深的地方——同樣遠(yuǎn)低于氨凝結(jié)成云的高度。歐文補(bǔ)充道：“這表明類似的光化學(xué)過程也在土星大氣中發(fā)生。我們還測定了深層氨的豐度，并發(fā)現(xiàn)其與詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡的最新觀測結(jié)果一致?！?/p>
這項(xiàng)研究凸顯了專業(yè)和業(yè)余天文學(xué)家如何共同努力，推動(dòng)我們對宇宙的認(rèn)知邊界。即使是看似“簡單”的觀測也能提供寶貴的見解，拓展我們的理解。
BY:Victoria Corless
FY:casyo8
如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請?jiān)谧髌钒l(fā)布后聯(lián)系作者刪除
轉(zhuǎn)載還請取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處
熱門跟貼