比地球體積大1300多倍的木星,原來是“虛胖”?
2021年03月14日11:25

  文章來源:格致論道講壇

  “地球、月亮還有人類的起源,我們要解答千百年來古人的這些疑問,只在地球上尋找是不夠的。”

  劉勇

  中國科學院國家空間科學中心研究員

  各位同學,大家好,我是來自中國科學院國家空間科學中心的研究員,劉勇。我分享的是關於太陽系的那些事。

  在太陽系,有很多很有趣、很好玩,也有很多值得同學們跟我們一起去探索去研究的事。

  首先來看這張太陽系的圖,最裡邊是太陽,繞著太陽轉的從里到外的有水星、金星、地球、火星,然後再往外是木星、土星、天王星和海王星。

  除了這八個比較大個頭的叫行星之外,還有一些小個頭的,比方說在火星和木星之間有小行星帶。

  在海王星以外,還有一個柯伊伯帶,這些都是由小天體組成的。

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  為什麼行星繞著太陽轉?

  我們先來看看太陽,大家有沒有想過一個問題,為什麼大家都繞著太陽轉?為什麼太陽系這些行星不繞著地球轉或者不繞著木星轉呢?

  有同學說,如果繞著地球轉,就叫地球系而不叫太陽繫了。

  太陽是一顆會發光的恒星,很多同學可能都知道恒星是會自己發光的。

  那麼現在我的問題來了,為什麼大家都繞著恒星轉?為什麼太陽它就是一顆恒星?太陽系不可以有第二顆恒星嗎?

  劉慈欣的《三體》小說里講過了在它們那個星系里,有三個恒星相互之間繞著,誰也搞不清楚是誰繞著誰轉。

  為什麼在太陽系中大家都很整齊地繞著太陽轉?

  關於第一個問題,我給大家的回答是因為太陽足夠重,相比較而言,太陽是整個太陽系裡面最重的天體。

  因為太陽重,所以它的引力就特別大,是它拽著別人、主導著別人,其餘的行星都繞著它轉。

  同學們如果不信,可以在班上找一個個頭特別大的同學,然後拉著他一起轉,最後你會發現是你繞著他轉而不是他繞著你轉。

  這就是為什麼大家都繞著太陽轉。

  還有一個問題,為什麼恒星自己會發光呢?

  我以前聽過一個說法,有人懷疑太陽上是不是在燒煤?

  太陽那麼大個火球那得用多少煤啊?

  而且太陽存在到現在已經有幾十億年了,所以有人就做過計算,說這得燒好多好多噸的煤。

  後來發現太陽上,如果是在燒煤的話,太陽上的煤早就已經燒光了,那麼太陽的熱和光從哪裡來?

  這裏我給大家介紹一點,這個叫熱核反應。

  說起熱核反應、原子、分子,可能同學們都會覺得有點陌生。

  其實就是組成物質的基本的元素叫原子,通常我們說的化學反應,比方說煤的燃燒它是化學反應。

  只是原子和原子之間發生反應,原子核是不動的。

  熱核反應是原子核也會發生變化,兩個小個頭的原子核擠在一起變成一個大個頭原子核,同時還會產生能量。

  這就是太陽上能量的來源,這個產生的能量效率非常高,只需要一點點,可能就頂得上幾噸煤的量。

  所以,太陽到目前為止還一直在發出光和熱,它上面的熱核反應還沒有停止。

  我們也不用擔心,太陽會馬上消失,太陽的能量馬上會枯竭,這都不會的。

  我們地球上人類也用同樣的方法製作出了氫彈,氫彈的爆炸瞬間能產生出巨大的能量。

  也有同學問,我們能不能用這個能量來發電?

  咱們就用熱核反應,利用氫彈能量。

  發電,我們需要很好地控制它。

  氫彈是所有的能量在一瞬間產生,這個時候的能量是不可控的,而我們需要可控的就是讓它慢慢地一點一點地把能量發出來。

  我們要停下來的時候,還可以讓它停下來,這就是可控熱核反應。

  人類的科學家們,現在還在繼續研究,也許有一天我們就能夠實現熱核反應,就能夠實現地球上有取之不竭、用之不盡的能量。

  但是到目前為止,我們還沒能做到,我們只能更好地利用太陽能。

  我經常說,太陽像一個油炸冰淇淋。

  大家都知道太陽的能量是來自於太陽內部的熱核反應,但是太陽表面就是我們看到的那一個太陽的表面。

  科學術語叫光球層。

  光球層的溫度是多少?

  光球層的溫度大概是6000度已經很高了,大家說這個怎麼會是油炸冰淇淋?

  大家不要擔心,再往外太陽周圍的大氣有幾十萬度到一百萬度。

  科學家把這一層叫日冕,同學們如果有興趣看到日食的照片,就會看到很清晰的日冕。

  日冕的溫度是幾十萬度甚至到幾百萬度,所以太陽就像一個冰塊放在熱油裡一樣,因此叫油炸冰淇淋。

  為什麼會這樣?

  太陽的能源來自於太陽內部,為什麼會形成這樣一個油炸冰淇淋的結構?

  到目前為止,科學家也沒有一個完整的答案。

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  太陽系中的小兄弟

  講完太陽,我們再回過頭來看太陽系。

  太陽系除了太陽以外,還有這些小兄弟。

  如果我們把太陽系看作一個班的話,這個班上有太陽就是老師,坐在最前排的有四位同學,水星、金星、地球、火星。

  坐在後排的是四個大個子同學,木星、土星、天王星、海王星。

  我們後排的四個大個子同學有個專有名詞叫類木行星。

  類木行星跟前面的四個小個同學有很明顯的區別,這四個同學個頭都特別大。

  即使個頭最小的天王星、海王星 ,它們個頭實際上差不多都有60多個地球那麼大,而其中最大個頭的就是木星。

  木星有1300個地球那麼大,同學們總覺得這個數字不好記,我告訴大家一個方法。

  如果把木星放在這裏的話,要摞10個地球才跟這個木星差不多高。

  木星跟太陽相比,木星雖然有1000個地球那麼大,但木星跟太陽相比木星還是比太陽要小的多。

  我們要在這邊摞10個木星才跟一個太陽差不多高,所以我想這樣大家可能都記住了。

  雖然木星有1000多個地球那麼大,但是木星有點虛胖,它只有300多個地球那麼重。

  大家可以想像一下,木星的體積是1300個地球,但它的重量只有300個地球那麼大,所以它有點虛胖,它的密度不如地球。

  我們這裏看的是木星和地球的比較,木星還有一些很好玩的特性,比方說木星叫氣態行星。

  而後面這幾個大個子,除了個子大以外,它們都是氣態的。

  它的所謂氣態行星跟地球相比,地球有個岩石表面,咱們都站在這個岩石表面上。

  我們都生活在地球上,這個岩石表面叫地殼,但是木星周圍的外層是一團厚厚的大氣。

  有些人可能就會問,我知道地球有大氣層,但是地球為什麼不叫氣態行星?

  第一是地球大氣層非常的薄相比地球的半徑有6400公里,地球大氣層也就只有100公里,基本上是小於10%,小於十分之一的木星的大氣。

  木星周圍的氣態成分接近木星半徑的三分之一到四分之一。

  從這個圖上還可以看出來木星的內部結構,像一個雞蛋,它外面有一層蛋殼是大氣。

  往里,有液態的液氫,相當於雞蛋的雞蛋清。

  再往里,木星還有一個內核,我們現在猜測可能有鐵,有這樣一些東西在裡頭。

  但是到底是什麼?科學家現在也無法知道。

  所以,關於木星還有很多很有趣的謎,而其中有一個謎就是這個大紅斑。

  木星這個大紅斑存在已經有數百年之久了。

  地球上的風暴就是颱風,颱風持續的時間,通常也就是一個星期左右。

  很少聽說過一個颱風持續兩三個星期或者超過一個月的。

  木星上的風暴已經持續了幾百年的時間了,自從發現時候它有時會變淡一點兒,有時候會加深一點兒,它會有這種變化,但是一直就在那裡,而且在同一個位置。

  為什麼?到目前為止也還是個謎,也等著同學們去探索。

  木星因為個兒大,所以它周圍有些小兄弟。

  比方說這是木星最早發現的叫伽利略衛星,靠它最近的是伊奧,紅紅的。

  它上面有火山,而且還時不時會爆發。

  再往外一顆叫歐羅巴,歐羅巴的名字,聽起來有點像歐洲人名字,但是歐羅巴裡面含有大量的水。

  我們把地球的含水量和木衛二的含水量對比,可以看到地球的個頭比木衛二要大很多,但是它們的含水量是差不多的。

  在木衛二厚厚的冰層下面有很大片的地下湖,有科學家懷疑就在木衛二的湖泊里,有可能存在著生命的跡象到底有沒有,現在還是個謎。

  這也等著我們去探索。

  其他的氣態行星都是這樣的,有氣態、個頭大這樣兩個特點,當然它們周圍還有一些衛星土星有環。

  天王星它的最大的特點是它躺著轉,它的自轉軸是平行於這個黃道面,其他的都是垂直或者接近於垂直這個黃道面。

  所以我們說天王星應該是躺著轉的。

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  類地行星

  我接下來就給大家講類地行星,因為生命要存在,通常還是希望有一個像地球表面那樣的硬殼,即固態的表面,還要有有液態水的存在。

  這就意味著要處在宜居帶裡頭,所謂宜居帶就是在這個星系里的溫度,正好能夠存在液態水。

  比方說0到100度,正好在液態水能夠存在的範圍,這個時候就最容易誕生生命。

  我們首先來看水星,水星是個頭最小又靠太陽最近的,就像班里坐在前排的小朋友。

  實際它還有個特點,因為它靠太陽近,所以它幾乎被太陽鎖定住了。

  這裏鎖定住的意思,就是說它的自轉非常慢,水星自轉一圈需要很長時間,水星的一個白天和一個晚上加起來是180多天,

  這就造成了水星上一面長期照著太陽,而另外一面長期照不到太陽,形成了兩種極端的溫度。

  一個是特別的熱,另外一面特別冷。

  熱的那面400多度,冷的那面可以達到零下200多度,水星因為靠近太陽,本來應該是個非常熱的星球,結果因為另外一面長期照不到太陽,所以溫度非常低。

  這就造成了水星上,不可能有生命的存在,在這麼惡劣的環境中,我們再來看金星。

  金星意味著是天空中最亮的那顆星星,同學們可能有時候看課外書或者看到有些書上講說最亮的星星是天狼星。

  我告訴大家那是錯的,那是一個翻譯錯誤。

  有的老師直接翻譯說The brightest star is 天狼星,這裏star應該是恒星,翻譯成最亮的恒星,那是天狼星沒有錯。

  我們在地球上看到最亮的星星絕對是金星,而且金星是只在早晨和黃昏的時候才出來,很容易觀測。

  金星有一個特點就是它表面非常熱,為什麼呢?

  因為金星周圍有厚厚的大氣,像蓋了一層厚厚的被子,所以表面非常熱。

  也因為周圍的大氣的密度非常高,有很高的大氣壓,所以金星更像一個超級大的高壓鍋。

  在這麼惡劣的環境下,高等級生命是很難存在的,但是最近有科學家說在金星的大氣中發現有種化學物質叫磷化氫。(註:該說法已被否認)

  我們不能排除金星上有生命的可能,但是我們更希望找到像地球上的動物、植物那樣大型的高等級的生命。

  我們最早是希望火星上有生命。

  我看過很多的科幻小說講過火星人占領地球、火星人進攻地球、火星人跟地球發生了戰爭,甚至有科學家看到火星的南北兩極都有冰蓋,這個跟地球的環境非常像。

  然後再看到火星還有一些道道就類似運河,推測火星人修了運河就把南北兩極冰蓋的水引到赤道地區,供那裡的人們飲用。

  等我們真正到達火星就發現火星其實跟沙漠是一樣的是一片荒漠,沒有任何生命的跡象,而且火星上非常冷,平均溫度是零下60度。

  這是我們看到所謂的宜居帶三兄弟,從里到外,金星很熱,地球溫度剛好合適。

  火星又特別冷,自轉一圈需要的花費的時間跟地球差不多,大概是25個小時,因為火星的大氣非常稀薄,所以火星晚上的溫度非常低,可以達到零下60度。

  火星的南北兩極甚至可以達到零下100多度,在火星這樣的環境,現在我們懷疑有可能有生命存在。

  但是也是那種非常簡單、非常原始的生命,就像細菌、病毒一樣的,不會是像我們人類這種高等級的生命,也不會有火星人。

  那麼火星為什麼會變成這樣?

  火星在億萬年前可能有水,像地球一樣是一顆藍色的星球。

  火星為什麼會失去了水?火星的大氣又是怎麼演化變成現在這樣的?

  地球會不會未來也變成像火星一樣,這些就是我們要探索火星的目的。

  除了火星以外,我們還有小行星帶還有柯伊伯帶。

  大家看這個小行星帶,小行星帶其實很有意思。

  我覺得小行星帶它就是一些碎石,如果我們把地球看成岩石星球的話,那小行星帶就是一些比地球這樣的星球要小的天體,甚至有些小得多,比方說幾十公里甚至有幾公里,甚至只有幾百米。

  這樣的一些小的天體的存在當然也有個頭大的,有一些個頭甚至比冥王星還要大,這就導致當年冥王星因為個頭太小被踢出局了。

  因為小行星帶保存了它在太陽系,剛剛形成之初的一些信息,所以現在也是一個研究的熱點就像柯伊伯帶一樣。

  就是在太陽系的形成過程中,很多碎石小的星子都聚合,形成了今天的太陽還有八大行星,但是還有一些沒用上。

  沒有機會給它們聚在一塊兒,尤其是在柯伊伯帶的小天體,它們還保存了當初太陽系形成最初的化學成份,當初形成的最初的形態。

  所以我們要尋找太陽系的起源,尋找地球的起源。

  我們經常讀一首詩:“江畔何人初見月,江月何年初照人。”

  這首詩說的無非就是地球、月亮還有人類的起源,我們要解答千百年來古人的這些疑問,只在地球上尋找是不夠的。

  我們還要去更遠的地方去探索,說到更遠的地方,前一段時間有報導,我們已經有一艘飛船飛出了太陽系。

  我來告訴大家不是這樣的,還沒有飛出太陽系,它也就飛到了離地球大概100個天文單位的地方。

  事實上這個邊界是太陽風的邊界,是太陽發出的蒸汽。

  我們就把它叫蒸汽好了就只是飛出太陽風的邊界,而在這之外太陽系的範疇,天文學家的定義是只要繞著太陽轉的地方都叫太陽系。

  還有一個離地球幾萬,甚至接近十萬個天文單位的地方叫奧爾特雲。

  而奧爾特雲也彙聚著很多小的星體,這也是太陽系的一部分,這艘飛船要飛出奧爾特雲還需要幾萬年的時間。

  所以我們現在還活著的人類都看不到,我們還需要技術的進步才可能去奧爾特雲去探索。

  宇宙很廣大,我們所生活的太陽系只不過是銀河系中的諸多星系中的一個。

  我們現在探索的範圍也就僅僅是太陽系中的一部分,當然我們能夠用天文望遠鏡看到銀河系,甚至能看到銀河系以外。

  宇宙很大,我們需要學習的東西還有很多,世界上還有很多未知的問題等著我們一起去探索宇宙的奧秘。

  謝謝大家!

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