木星并不總是我們今天所知道的行星——它曾經是現在的兩倍大，磁場強度是現在的 50 倍，它早期的力量塑造了我們太陽系的結構。利用兩顆微小內衛星的軌道，科學家逆向繪制了木星動蕩青年時期的快照，避開了典型的不確定性，為我們的宇宙起源故事增添了生動的細節。

木星磁力線從其兩極發射的示意圖。圖片來源：K. Batygin

木星在塑造太陽系中的作用

木星的早期生命蘊含著我們太陽系起源的有力線索。木星常被稱為行星的“建筑師”，其巨大的引力塑造了鄰近行星的軌道，并塑造了最終構成太陽系行星家族的旋轉氣體塵埃盤。

如今，5月20日發表在《自然天文學》雜志上的一項新研究，對木星神秘的起源提供了更深入的解讀。加州理工學院的研究人員康斯坦丁·巴特金和密歇根大學的弗雷德·C·亞當斯將這顆氣態巨行星的古老形態追溯到太陽系中第一批固體粒子出現后約380萬年的一個關鍵時刻。這一時刻標志著原行星星云（環繞新生太陽的巨大物質云）的消逝。

這幅令人驚嘆的木星大紅斑及其南半球湍流景象，是由美國宇航局的朱諾號探測器在近距離掠過這顆氣態巨行星時拍攝到的。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill

當時的木星是一顆比今天質量更大的宇宙巨星。根據研究人員的計算，它的大小幾乎是現在的兩倍，磁場強度大約是我們現在看到的磁場強度的50倍。

“我們的最終目標是了解我們來自哪里，而確定行星形成的早期階段對于解開這個謎團至關重要，”巴特金說。“這不僅能讓我們更接近理解木星，還能讓我們更接近理解整個太陽系是如何形成的。”

通過衛星追蹤起源

為了揭示木星的原始狀態，研究小組觀察了木星一些最小且距離最近的衛星：木衛五（Amalthea）和木衛十四（Thebe）。這些微小衛星的軌道距離木星甚至比木星四顆大型伽利略衛星中最小的木衛一（Io）還要近。

有趣的是，這些衛星的軌道并非完全平坦。它們的輕微傾斜為研究人員提供了寶貴的線索。通過研究這些細微的軌道擺動，巴特金和亞當斯得以推算木星曾經的大小和威力。

他們的研究結果表明，早期木星的體積相當于 2000 多個地球，并且被強大的磁場包裹，強大到足以以戲劇性的方式塑造其周圍環境。

45億年前的回聲

亞當斯強調了過去在今天的太陽系中留下的顯著印記：“令人驚訝的是，即使過了45億年，仍然有足夠的線索讓我們重建木星在它存在之初的物理狀態。”

重要的是，這些洞見是通過獨立的約束條件獲得的，這些約束條件繞過了行星形成模型中傳統的不確定性——這些模型通常依賴于對氣體不透明度、吸積速率或重元素核心質量的假設。相反，該團隊專注于木星衛星的軌道動力學以及行星角動量的守恒——這些量是可以直接測量的。他們的分析清晰地展現了木星在周圍太陽星云蒸發時的景象，這是一個關鍵的轉折點，行星形成的構成材料消失，太陽系的原始結構被鎖定。

基于行星形成理論

這些結果為現有的行星形成理論增添了關鍵細節，這些理論認為木星和其他圍繞其他恒星的巨行星是通過核心吸積形成的，即巖石和冰核快速聚集氣體的過程。這些基礎模型由許多研究人員歷經數十年發展而成，其中包括加州理工學院的戴夫·史蒂文森（Dave Stevenson），他是馬文·L·戈德伯格（Marvin L. Goldberger）行星科學榮譽教授。這項新研究在此基礎上，對木星早期關鍵時期的大小、自轉速度和磁場條件進行了更精確的測量。

太陽史上的新基準

巴特金強調，盡管木星的最初時刻仍因不確定性而模糊不清，但當前的研究極大地清晰了我們對這顆行星關鍵發展階段的認識。“我們在這里建立的是一個寶貴的基準，”他說，“從這個角度出發，我們可以更有信心地重建太陽系的演化過程。”

編譯自/ScitechDaily