两倍大小，50倍能量 天文学家揭示木星的原始历史

木星并不总是我们今天所知道的行星——它曾经是现在的两倍大，磁场强度是现在的 50 倍，它早期的力量塑造了我们太阳系的结构。利用两颗微小内卫星的轨道，科学家逆向绘制了木星动荡青年时期的快照，避开了典型的不确定性，为我们的宇宙起源故事增添了生动的细节。

木星磁力线从其两极发射的示意图。图片来源：K. Batygin

木星在塑造太阳系中的作用

木星的早期生命蕴含着我们太阳系起源的有力线索。木星常被称为行星的“建筑师”，其巨大的引力塑造了邻近行星的轨道，并塑造了最终构成太阳系行星家族的旋转气体尘埃盘。

如今，5月20日发表在《自然天文学》杂志上的一项新研究，对木星神秘的起源提供了更深入的解读。加州理工学院的研究人员康斯坦丁·巴特金和密歇根大学的弗雷德·C·亚当斯将这颗气态巨行星的古老形态追溯到太阳系中第一批固体粒子出现后约380万年的一个关键时刻。这一时刻标志着原行星星云（环绕新生太阳的巨大物质云）的消逝。

这幅令人惊叹的木星大红斑及其南半球湍流景象，是由美国宇航局的朱诺号探测器在近距离掠过这颗气态巨行星时拍摄到的。图片来源：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill

当时的木星是一颗比今天质量更大的宇宙巨星。根据研究人员的计算，它的大小几乎是现在的两倍，磁场强度大约是我们现在看到的磁场强度的50倍。

“我们的最终目标是了解我们来自哪里，而确定行星形成的早期阶段对于解开这个谜团至关重要，”巴特金说。“这不仅能让我们更接近理解木星，还能让我们更接近理解整个太阳系是如何形成的。”

通过卫星追踪起源

为了揭示木星的原始状态，研究小组观察了木星一些最小且距离最近的卫星：木卫五（Amalthea）和木卫十四（Thebe）。这些微小卫星的轨道距离木星甚至比木星四颗大型伽利略卫星中最小的木卫一（Io）还要近。

有趣的是，这些卫星的轨道并非完全平坦。它们的轻微倾斜为研究人员提供了宝贵的线索。通过研究这些细微的轨道摆动，巴特金和亚当斯得以推算木星曾经的大小和威力。

他们的研究结果表明，早期木星的体积相当于 2000 多个地球，并且被强大的磁场包裹，强大到足以以戏剧性的方式塑造其周围环境。

45亿年前的回声

亚当斯强调了过去在今天的太阳系中留下的显著印记：“令人惊讶的是，即使过了45亿年，仍然有足够的线索让我们重建木星在它存在之初的物理状态。”

重要的是，这些洞见是通过独立的约束条件获得的，这些约束条件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对气体不透明度、吸积速率或重元素核心质量的假设。相反，该团队专注于木星卫星的轨道动力学以及行星角动量的守恒——这些量是可以直接测量的。他们的分析清晰地展现了木星在周围太阳星云蒸发时的景象，这是一个关键的转折点，行星形成的构成材料消失，太阳系的原始结构被锁定。

基于行星形成理论

这些结果为现有的行星形成理论增添了关键细节，这些理论认为木星和其他围绕其他恒星的巨行星是通过核心吸积形成的，即岩石和冰核快速聚集气体的过程。这些基础模型由许多研究人员历经数十年发展而成，其中包括加州理工学院的戴夫·史蒂文森（Dave Stevenson），他是马文·L·戈德伯格（Marvin L. Goldberger）行星科学荣誉教授。这项新研究在此基础上，对木星早期关键时期的大小、自转速度和磁场条件进行了更精确的测量。

太阳史上的新基准

巴特金强调，尽管木星的最初时刻仍因不确定性而模糊不清，但当前的研究极大地清晰了我们对这颗行星关键发展阶段的认识。“我们在这里建立的是一个宝贵的基准，”他说，“从这个角度出发，我们可以更有信心地重建太阳系的演化过程。”

编译自/ScitechDaily