木星的大秘密：微小卫星揭示其体积曾经是现在的两倍多

可见光波段的木星图像，以及木星高层大气红外辉光和磁力线的艺术效果图。图片来源：J. O'Donoghue (JAXA)/Hubble/NASA/ESA/A. Simon/J. Schmidt

木星一直被认为是太阳系的重量级冠军，但新的研究表明，它曾经的质量比我们想象的还要大。科学家们认为，木星在塑造早期太阳系的过程中发挥了至关重要的作用——它强大的引力帮助塑造了其他行星的轨道，引导了小行星带的形成，甚至可能通过偏转危险的小行星来保护地球。

揭开木星的原始力量

如今，一项新研究让我们更深入地了解了木星神秘的起源。天文学家康斯坦丁·巴特金和弗雷德·C·亚当斯发现，木星的体积曾经是现在的两倍到两倍半。更令人震惊的是，它的磁场强度可能比现在强50倍。这些发现有助于生动地描绘出年轻太阳系在其最混乱、最形成阶段的景象。

巴特金是加州理工学院的行星科学和天体物理学教授，亚当斯则是密歇根大学物理学教授兼莱因韦伯理论物理中心主任。他们开创性的论文题为《确定木星的原始物理状态》，于2025年5月20日发表在《自然天文学》杂志上。

木星磁力线从其两极发射的示意图。图片来源：K. Batygin

重新思考太阳系形成模型

在天体力学中，将太阳系的演化完全归因于木星和太阳影响的传统范式根深蒂固。然而，观测结果日益凸显了木星在塑造太阳系结构方面的重要性。因此，木星的起源和结构演化的完整历史被视为太阳系早期演化的关键里程碑。然而，由于吸积模型固有的不确定性，木星形成的细节和时间仍然难以捉摸。

木星的内卫星揭示了古老的秘密

在这项研究中，Batygin 和 Adams 考察了木星的两颗内卫星——阿玛尔忒亚和忒拜。这两颗卫星质量较小，轨道距离木星甚至比木卫一（木卫一是木星最小、轨道最近的伽利略卫星）更近。这两颗卫星的轨道略微倾斜，轨道差异也较小，这使得 Batygin 和 Adams 能够计算出木星的原始大小。根据他们的研究结果，木星的体积曾经超过 2，000 个地球，大约是其目前 1321 个地球的两倍。正如 Batygin 在加州理工学院的一篇新闻报道中所说：

我们的最终目标是了解我们来自何方，而确定行星形成的早期阶段对于解开这个谜团至关重要。这让我们更接近理解木星乃至整个太阳系是如何形成的。我们在此建立的是一个宝贵的基准，让我们能够更有信心地重建太阳系的演化过程。

1998年，旅行者1号拍摄了木星及其四颗行星大小的卫星（称为伽利略卫星），并将其拼贴成这幅拼贴画。它们并非按比例绘制，但显示了它们的相对位置。图片来源：NASA/JPL

行星科学的新基准

这些见解尤其重要，因为它们绕过了行星形成模型中传统的不确定性。这些模型通常依赖于关于气体吸收或散射电磁辐射的能力、吸积速率以及木星核心（由岩石和金属组成）质量的假设。相反，该团队专注于直接可测量的量，包括木星角动量守恒及其卫星的轨道动力学。

巴特金和亚当斯的分析为木星发展的关键阶段之一提供了至关重要的图景，而这一阶段过去一直存在不确定性。本质上，它揭示了行星形成的太阳星云蒸发的时期。这是一个关键的转折点，行星的构成要素在此消失，太阳系的原始结构由此诞生。“令人惊讶的是，即使在45亿年后，仍然保留了足够的线索，让我们能够重建木星在其诞生之初的物理状态，”亚当斯说道。

这些结果也可能为行星形成理论增添新的见解，从而对系外行星研究产生重要影响。这些理论认为，木星和气态巨行星的形成源于岩石和冰质物质（构成了这些行星的核心）快速吸积太阳星云中的气体。这项新研究在传统模型的基础上，对木星原始状态下的尺寸、自转速度和磁场条件进行了更精确的测量。

编译自/scitechdaily