美國太空總署”朱諾”號任務收集的”偶氮引力”數據表明，木星的大氣風以圓柱形方式穿透木星，與其自轉軸平行。有關這些發現的論文最近發表在《自然-天文學》（Nature Astronomy）雜誌上。這項發現讓人們對爭論已久的氣態巨行星內部結構有了更深入的了解。

2023年9月7日，美國國家航空暨太空總署的朱諾號在第54 次近距離飛掠木星時捕捉了木星的景象。這張照片是用朱諾相機（JunoCam）儀器的原始數據拍攝的，經過處理後增強了雲層特徵和色彩的細節。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS，圖片處理：Tanya Oleksuik CC BY NC SA 3.0

了解木星大氣層

長期以來，天文學家和行星科學家一直對木星洶湧澎湃的大氣層充滿好奇，而”朱諾”號自2016年進入木星軌道以來，對木星大氣層的變化可謂瞭如指掌。在迄今為止太空船55次近距離飛越木星的過程中，一套科學儀器一直在木星湍急的雲層下方窺視，以揭示這顆氣體巨行星如何由內而外地運作。

圖為2016年7月4日，NASA的”朱諾”號太空船在飛行了近5年、超過17億英里後進入木星軌道。圖片來源：NASA/JPL/SwRI

無線電科學與木星內部

朱諾號任務了解木星內部的一種方式是透過無線電科學。當朱諾號以接近13 萬英里/小時（20.9 萬公里/小時）的速度飛過木星時，科學家利用NASA 的深空網路天線追蹤太空船的無線電訊號，測量其速度的微小變化–小到每秒0.01 毫米。這些變化是由木星重力場的變化引起的，透過測量這些變化，這項任務基本上可以看到木星的大氣層。

這些測量結果帶來了許多發現，包括木星深處存在一個稀釋的內核，以及木星上從雲頂向下延伸約1,860英里（3,000公里）的地帶和帶的深度。

先進的數學技術

為了確定風的位置和圓柱性質，研究的作者應用了一種數學技術，可以模擬地球等岩石行星的重力變化和表面高程。在木星，該技術可用於精確繪製深度風圖。利用高精度的朱諾號數據，作者能夠產生比以前利用美國宇航局開創性的”旅行者”號和”伽利略”號木星探測器的數據所創建的模型高出四倍的分辨率。

這幅插圖描述了木星大氣風以圓柱形方式穿透木星並與其自轉軸平行的發現。美國太空總署朱諾號（Juno）記錄到的最主要的噴流顯示在剪切圖中： 在雲層中，噴流位於北緯21 度，但在雲層下1800 英里（3000 公里）處，噴流位於北緯13 度。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/SSI/SWRI/MSSS/ASI/INAF/JIRAM/Björn Jónsson CC BY 3.0

美國太空總署南加州噴射推進實驗室的朱諾號科學家兼任務重力科學調查負責人瑞安-帕克（Ryan Park）說：”我們採用了一種針對陸地行星稀疏資料集開發的約束技術來處理朱諾號的數據。這是首次在外行星上應用這種技術。”

重力場的測量結果與一個已有二十年歷史的模型相吻合，該模型確定木星強大的東西向帶狀氣流從雲層白區、紅區和帶狀氣流向內延伸。但測量結果也顯示，木星的帶狀氣流並不像輻射球那樣向各個方向延伸，而是向內呈圓柱狀，並沿著木星自轉軸的方向流動。自1970 年代以來，人們一直在爭論木星深層大氣的風是如何形成的，現在朱諾號任務已經解決了這個爭論。

“朱諾號測量到的所有40個重力係數都與我們之前的計算相吻合，即如果風以圓柱形向內穿透，我們預計重力場會是怎樣的，”該研究的第一作者、朱諾號聯合研究員、以色列魏茲曼科學研究所的尤海-卡斯皮（Yohai Kaspi）說。”當我們發現所有40個數字都與我們的計算結果完全吻合時，感覺就像中了彩票一樣。”

影響和未來任務

除了更了解木星的內部結構和起源之外，新的重力模型應用還可用於更深入地了解其他行星的大氣層。

朱諾號目前正在執行一項擴展任務。在飛越木星的同時，這艘太陽能飛船也完成了一系列飛越木星冰衛星木衛二和木衛三的任務，並且正在多次近距離飛越木衛二。12月30日對木衛二的飛越將是迄今為止最近的一次，將在距其佈滿火山的表面約930英里（1500公里）的範圍內飛越。

聖安東尼奧西南研究所朱諾號任務首席研究員博爾頓（Scott Bolton）說：”隨著朱諾號旅程的推進，我們正在取得真正定義新木星的科學成果，這些成果很可能與太陽系內外的所有巨行星都息息相關。新測定的重力場的分辨率與我們20年前估計的精度非常相似。很高興看到我們的預測與結果如此吻合”。