这一发现解决了关于这颗气态巨行星形成的长期争论。
科学家们研究了构成木星核心和低层大气的重元素，以更多地了解我们太阳系中最大的行星是如何形成的。 （图片来源：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS）
科学家们发现，木星的内部充满了小行星的残骸，这颗气态巨行星在扩张成为我们今天看到的庞然大物时吞噬了这些小行星。这些发现来自对地球多云外层大气下化学成分的第一次清晰观察。
尽管是太阳系中最大的行星，但木星对其内部运作的披露却很少。望远镜已经捕捉到了这颗气态巨行星上层大气中旋转涡旋云的数千张图像，但这些梵高式的风暴也充当了阻挡我们观察下方事物的屏障。
荷兰莱顿大学的天体物理学家、首席研究员亚米拉·米格尔说，在大约 45 亿年前太阳系形成后的最初几百万年里，“木星是我们太阳系中最早形成的行星之一”。科学。然而，她补充说，我们几乎不知道它是如何形成的。
在这项新研究中，研究人员终于能够利用美国宇航局朱诺号太空探测器收集的引力数据窥视木星模糊的云层。 这些数据使团队能够绘制出这颗巨行星核心的岩石材料，其中显示出惊人的高丰度重元素。 化学成分表明木星吞噬了小行星或小行星，以推动其扩张。
成长为天然气巨头
今天木星可能主要是一个旋转的气体球，但它的生命是通过吸积岩石物质开始的——就像太阳系中的所有其他行星一样。随着这颗行星的引力吸引越来越多的岩石，岩石核心变得如此密集，以至于它开始从远处吸入大量气体——主要是太阳诞生时留下的氢和氦——以形成其巨大的充满气体的大气层。
关于木星如何设法收集其最初的岩石材料，有两种相互竞争的理论。一种理论是木星积累了数十亿个较小的太空岩石，天文学家将其称为鹅卵石（尽管这些岩石的大小可能更接近巨石，而不是真正的鹅卵石）。
新研究结果支持的相反理论是，木星的核心是由许多小行星的吸收形成的 – 跨越数英里的大型太空岩石，如果不受干扰，可能会成为较小的岩石行星的种子像地球或火星一样可以发展。
然而，直到现在还不能明确地说这些理论中的哪一个是正确的。 “因为我们无法直接观察木星是如何形成的，所以我们必须将这些碎片与我们今天拥有的信息放在一起，”米格尔说。 “而且这不是一件容易的事。”
这张电脑插图显示了美国宇航局的朱诺号宇宙飞船在这颗气体巨星的大红斑上空。 （图片来源：马克·加利克/科学照片库/盖蒂图片社）
探索地球
为了解决这场争论，研究人员需要绘制一张木星内部的照片。 “在地球上，我们使用地震仪来研究地球内部的地震，”米格尔说。但她补充说，木星没有表面可以放置这样的装置，而且木星的核心不太可能有太多的构造活动。
相反，研究人员通过结合主要由朱诺收集的数据及其前身伽利略的一些数据来构建木星内脏的计算机模型。探测器在其轨道周围的不同点测量了行星的引力场。数据显示，木星吸积的岩石物质含有高浓度的重元素，形成致密的固体，因此比气态大气具有更强的引力效应。这些数据使团队能够绘制出行星重力的微小变化，这有助于他们了解岩石物质在行星内的位置。
“朱诺提供了非常准确的重力数据，帮助我们限制了木星内部物质的分布，”米格尔说。 “这是非常独特的数据，我们只能通过绕地球运行的航天器获得。”
研究人员的模型显示，木星内存在相当于 11 到 30 个地球质量的重元素（占木星质量的 3% 到 9%），这比预期的要多得多。
鹅卵石与小行星
新模型指出木星的行星吞噬起源，因为卵石吸积理论无法解释如此高浓度的重元素，米格尔说。如果木星最初是由鹅卵石形成的，那么一旦行星足够大，气体吸积过程的最终开始就会立即结束岩石吸积阶段。米格尔解释说，这是因为不断增长的气体层会产生压力屏障，阻止额外的鹅卵石被拉入行星内部。与研究人员计算的相比，这种减少的岩石吸积阶段可能会使木星的重金属丰度或金属丰度大大降低。
然而，即使在气体吸积阶段开始之后，小行星也可能在木星的核心上闪烁。那是因为对岩石的引力会大于气体施加的压力。研究人员说，小行星理论提出的这种岩石物质和气体的同时吸积是木星内高水平重元素的唯一解释。
该研究还揭示了另一个有趣的发现：木星的内部不能很好地融入其高层大气，这与科学家此前的预期背道而驰。木星内部的新模型表明，这颗行星吸收的重元素在很大程度上仍然靠近其核心和低层大气。研究人员假设对流混合了木星的大气层，因此木星核心附近的较热气体会在冷却并回落之前上升到外层大气；如果是这样的话，重元素会更均匀地混合在整个大气中。
然而，米格尔说，木星的某些区域可能有很小的对流效应，需要更多的研究来确定这颗气态巨行星大气内部到底发生了什么。
研究人员的发现也可能改变太阳系中其他行星的起源故事。 “木星是太阳系形成过程中最有影响力的行星，”米格尔说。她补充说，它的引力有助于塑造其宇宙邻居的大小和轨道，因此确定它是如何形成的对其他行星具有重要的连锁反应。这些发现还暗示了太阳系中其他气态巨行星的潜在星子起源：土星、天王星和海王星。
其他恒星系统中的其他气态世界也可能是通过吞噬小行星而不是鹅卵石而形成的，这意味着它们的金属丰度也可能比其外观所暗示的要高。研究人员说，因此，重要的是，当我们发现这些正在使用 NASA 的詹姆斯韦伯望远镜搜索的新世界时，我们不要根据它们的云层来判断它们。
该研究于 6 月 8 日在线发表在《天文学和天体物理学》杂志上。