木星是怎样形成的?从1995年首次发现到2009年8月,已经发现360颗太阳系外行星。其中绝大部分是通过测量宿主恒星的视向速度变化而发现的。在这些太阳系外的行星中,绝大多数又是距离恒星较近的高温气态巨行星。作为气态巨行星的代表,木星为我们提供了一个足不出“户”就能研究它的这些“远亲”的机会。了解木星的形成过程也会为了解气态巨行星的形成提供重要的线索。
气态巨行星的形成牵涉到两种可能的机制:核心吸积和引力坍缩。顾名思义,核心吸积事先需要一个大约10个地球质量的固体冰质或者岩质核心,随后它会吸积周围的气体形成木星这样的气态巨行星。核心吸积过程必须按部就班地一一进行,所以历时较长。与之形成对比的是引力坍缩机制。由于恒星周围行星盘中的局部引力不稳定性,气态巨行星可以直接由此坍缩而成。虽然可以借此方式快速形成,但是这一过程需要一个大质量的行星盘,而且在不稳定性出现之前还要等上相当长的一段时间。为了甄别这两种机制,就需要了解这些气态巨行星的组成,尤其是氧元素的丰度(含量)。显然,木星提供了一个“近在咫尺”的机会。
[图片说明]:在行星盘中形成的气态巨行星。版权:NASA/FUSE/Lynette Cook。为了了解氧在木星中的丰度,就需要了解木星中含有多少水。由于形成于距离太阳较远的地方,太阳的热量不会破坏具有挥发性的物质。因此木星很可能现在还保留着和原太阳星云相同的物质丰度,这同时也意味着木星中水的含量就像是一块被埋藏在木星内部的远古“化石”。
不幸的是,测量木星中水的丰度却并非易事。它们在木星的云顶中都凝聚成了冰晶,很难从远距离进行测量。因此必须深入木星内部,在那里水会呈现为液态。但这说起来容易做起来难。“伽利略”木星探测器曾在木星不同的深度测量了水的丰度,但是结果却和任何一个理论模型都对不上。因此不是理论模型都错了,就是探测到的数据本身具有特殊性。现在科学家们相信“伽利略”正好降落进了一片干燥的下沉气流,因此其中仅有少量的水,于是也就无法真正地反映出木星中有多少氧。
氧是宇宙中仅此于氢和氦的第三大元素,但是它对于木星的组成而言仍然是缺失的一环。同时木星中的水也是一个巨大的谜,并不仅仅因为它反映了太阳系中氧和氢的含量,它还和木星的天气系统息息相关。在木星上可以看到巨大的闪电和雷暴,这些都是由水操控的天气过程的最底层表现。