一位業余天文學家使用古老技術觀測木星——竟然發現怪異現象

“天文學家總是會優先采用簡單模型，除非有確鑿證據表明該模型確實存在缺陷。”

木星圖像（圖片來源：NASA/ESA/Amy Simon（NASA-GSFC））

木星的標志性漩渦云層竟然不是氨冰晶組成的！科學家與業余天文學家聯手揭開了這一奧秘，該發現徹底改寫了人類對這顆氣態巨星的基礎認知。

業余天文學家史蒂夫·希爾用市面上能買到的望遠鏡搭配光譜濾鏡，本打算繪制木星天氣中的氨含量分布圖，沒想到分析數據時竟發現根本性矛盾——這顆氣態巨星的大氣成分與所有現存模型預測的結果都不吻合。

牛津大學行星科學家帕特里克·歐文面對Space.com說：“這事有點意思！剛聽說史蒂夫的觀測方案時，我心里有些懷疑——區區民用級設備真能繪制出高精氨分子分布圖？”但是當數據被一層層剝開，疑云逐漸被興奮取代，這位科學界大牛不得不承認：“希爾怕是摸到了門道！”

木星的大氣成分主要是氫和氦，其中還含有少量的氨、甲烷、水蒸氣及其其他氣體。這些微量成分在不同的大氣高度發生凝結，形成反射陽光的云層系統，造就了木星獨特的外觀特征。由于氨在所有已知氣體中具有最低的凝結壓閥值，且已證實存在木星大氣中，科學界長期認為這顆氣態巨星上層大氣可見的云層應由氨冰構成。

“天文學家總是傾向于采用最簡單的理論模型，除非出現顛覆性證據迫使其修正。歐文解釋道：“由于我們能在木星的大氣中觀測到氨氣，學界便理所當然的認為其表面可見云層主要由氨冰構成。”這段合作始于2023年，當時希爾在英國天文協會報告了突破性觀測成果之后，通過協會的共同聯系人結識了歐文。“史蒂夫希望與專業的天文學家合作驗證其研究方法的科學性，”歐文回憶道，“他采用的光譜分析法實際源于上世紀七八十年代的技術路線——通過紅色波段中氨與甲烷的可見光吸收來分析大氣成分。這種方法雖廣為人知，卻已在學界沉寂多年。”

該技術為吸收帶深度分析法，其原理是通過檢測氣體在特征波長下的光線吸收量來測算濃度——此次研究對象為甲烷和氨氣。

希爾利用甲烷（619納米）和氨氣（647納米）的吸收帶來計算木星云層頂部這兩種氣體的豐度，這兩個波段是木星可見光譜中眾所周知的特征。甲烷在619納米處的吸收是一個可靠的參考基準，因為甲烷的豐度已經被充分的掌握，其吸收性可用于確定大氣壓力層級。通過將此與氨氣在647納米處的吸收進行對比，希爾得以計算出木星云層中氨氣的分布，并繪制出具有驚人高精度的分布圖。

“我們已知甲烷在木星大氣中混合均勻，并且對其豐度已有較準確的估算，”歐文進一步解釋道，“通過分析這兩個吸收帶觀測影像的反射差異，我們技能確定云頂壓力，又能推算出氨氣的相對豐度。”

研究團隊團隊發現，木星大氣中的反射光來自于云層深處——那里的環境壓力遠高于氨氣凝結所需的條件，溫度也過高。歐文指出：“觀測數據顯示，主反射層的實際位置比理論預測的氨氣凝結層（0.7巴壓力層）要深得多，真實存在于2-3巴壓力區間。”

基于這一發現，研究團隊必須重新審視木星云層的主要成分——氨冰已無法滿足觀測數據。通過大氣模型推演，科學家提出木星云層更可能由硫化氫氨構成，同時包含大氣光化學反應生成的霧霾物質。這一推斷的重要依據在于，純冰晶的光譜特征與木星云層的實際色澤存在顯著差異。

“不過這種成分的構成尚未完全確定，”歐文在補充說明時強調，“學界還有另一種假說認為，木星云層可能是水與氨在特殊環境下形成的復合型結構。”

他繼續說道，這表明木星的大氣中存在復雜的光化學反應。“在大多數區域，氨的光解和消耗速度快于其被抬升的速度。因此，純氨冰云相當罕見，并僅限于少數強對流的區域。”歐文解釋道。

希爾的觀測共和理論在歐文的幫助下得到了驗證，他們利用更先進的技術進行比對，分析了來自歐洲南方天文臺（ESO）超大望遠鏡（VLT）的MUSE儀器，超大天線陣（VLA）以及NASA朱諾號探測器的數據。這一發現意義重大，不僅確認了這些激動個人心的研究成果，還讓對木星及類似行星（如土星）的觀測更加便捷和高效。

“氨的分布情況是研究木星天氣的重要線索，這對于理解木星及類似行星至關重要。”希爾在他去年發表在《地球與空間科學》期刊的論文中寫道。

盡管這是一個激動人心的突破，科學家們也承認仍存在需要解決的局限性。例如，目前的結果依賴于一個假設的“垂直”氨分布模型，而科學家通常認為這一分布是恒定的。

“實際上，在氨凝結層以下，氨的分布更可能隨高度變化，但是我們的觀測數據難以對此加以約束，”歐文說到，“我們需要更仔細的加以比較VLT/MUSE、Juno和VLA的數據。一種模型應該能夠解釋所有觀測結果，但我們需要反復調整，以弄清木星大氣不同區域的氨垂直分布情況。”

天文學家還將他們的方法應用于土星觀測，發現主云層的反射發生在比此前預期更深的地方——同樣遠低于氨凝結成云的高度。歐文補充道：“這表明類似的光化學過程也在土星大氣中發生。我們還測定了深層氨的豐度，并發現其與詹姆斯·韋布空間望遠鏡的最新觀測結果一致。”

這項研究凸顯了專業和業余天文學家如何共同努力，推動我們對宇宙的認知邊界。即使是看似“簡單”的觀測也能提供寶貴的見解，拓展我們的理解。

BY:Victoria Corless

FY:casyo8

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