氢原子百科 
木星环（Rings of Jupiter）[1]，是指由尘埃等组成的围绕在木星周围的环系统。[5]木星环是太阳系中继土星环和天王星环后，第三个被发现的行星环系统。[2][6]
1979年，“旅行者1号”探测器首次发现了木星环。[2]20世纪90年代，“伽利略号”轨道飞行器对木星环进行了更加详细的探测。[4]在2007年2月28日，[7]“新地平线号”探测器飞跃木星，拍摄到了木星环高分辨率的图像，从而揭示了木星环系统中丰富的精细结构[注1]。[8]
虽然木星环的年龄还无从得知，但有可能自木星形成以来就存在。[3]整个木星环主要由非球形尘埃颗粒组成，尘埃的横切面积最大为15μm左右，光深[注2]为4.7×10−6。[9]整个木星环系统的总质量（包括产生尘埃颗粒的“母体”[注3]在内）目前还不太清楚，但大概在1011至1016kg之间。[3]木星环暗淡、狭窄且轻薄，[10]环内结构主要由光环、主环和薄纱环组成。[11]最内部是由粒子组成的厚厚的光环；[4]然后是一个横截面为圆环状的主环，且主环相对明亮、轻薄；[11]外面是一对横截面为矩形、[3]呈淡红色的微弱的薄纱环，分别是阿马尔塞薄纱环和底比斯薄纱环。[12]每个环都有清晰而锐利的外边缘，但内边缘的界限相对模糊。[11]在2006年9月，“新地平线号”探测器在执行任务时，发现木卫六（Himalia：希玛利亚）[13]的轨道附近有一个未知的行星环或环弧。[14]
发现
早在17世纪初，意大利科学家伽利略就通过望远镜发现了木星周围有4颗卫星。后来的科学家们也不断拍摄了众多木星的照片，并仔细观察和研究，但均未发现木星环。[5]1972年的“先驱者10号”和1973年的“先驱者11号”分别从离木星131,400km和46,400km处飞越，也均未发现木星存在行星环。[6]
直到1979年3月4日，“旅行者1号”在距离木星约1,200,000km的地方，跨越木星的赤道面时，无意中发现了木星的赤道部分有一条阴影。后经研究证实，阴影是由木星的环投下而形成。四个月后，为了寻找和证实木星环的存在，“旅行者2号”飞越木星，在距离木星约1,500,000km处拍到了木星环的照片。[5]至此，木星成为太阳系里继土星和天王星之后，第三个被发现带环的行星。[6]
20世纪90年代，“伽利略号”轨道飞行器对木星的环系统进行了详细的探测和研究，最后发现木星环主要由四部分组成，分别是一个厚的光环、一个亮而薄的主环和两个宽而暗的薄纱环。[4]木星环的光环和主环由木卫十五（Adrastea：阿德剌斯忒亚）、木卫十六（Metis：墨提斯）及其他不能观测到的主体，因高速撞击而喷出的尘埃组成。两个薄纱环的名称来自于形成它们的物质的卫星，即木卫五（Amalthea：阿马尔塞）和木卫十四（Thebe：底比斯）。[15]目前，木星环已经成功被哈勃太空望远镜从地球端观测到。[4]
性质与结构
木星环系统中，每个环的内边缘界限相对模糊，但外边缘比较清晰。光环周围没有卫星，主环和两个外环都有一个或多个相关的卫星。[11]木星环具有窄、薄、暗的特征。[5]据估计，木星环大致只能阻挡住通过它的日光的十万分之一。[5]木星环主要是由大量的黑色块状物质组成，块状物的大小在数十米到数百米之间。[5]从环带颗粒对日光散射的初步分析可看出，颗粒是暗色岩石碎片，平均直径近于8μm。[10]此外，木星环作为一个整体，环绕木星旋转一周的时间约为七小时，[5]
外观结构
光环是木星环系统中最内部、最厚的一层，其形状类似一个缺乏清楚内部结构的厚环面。它的外部边界与主环的内部边界相连。[4][16]光环的形状与观察角度只有少量关联性。[12]从环的外边界开始，光环朝木星方向快速增厚。光环的垂直范围尚不清楚，但在环面上方10,000km处能探测到其物质的存在。[17]光环位于半径100,000km处的内部边界十分清晰，但在92,000km及更深处发现了部分物质。[4]
亮度变化
在正面散射光线中，光环显得最亮。虽然其表面亮度远低于主环，但由于其厚度比主环大得多，其垂直于环平面的光子积分通量[注4]（即单位面积上的光子数）与主环差不多。光环的垂直范围超过20,000km，其亮度主要还是集中在环平面上，并遵循z−0.6到z−1.5[注5]的幂律[注6]。[3]
光谱性质
光环的光学频谱性质与主环不一样，在0.5μm-2.5μm范围内的通量分布比主环更均匀。[12]
光环的起源
因为光环与主环的光深相近，所以，光环内的尘埃可能起源于主环。[16]在木星磁层的电磁力作用下，尘埃粒子的轨道倾角和离心率[注7]会发生变化。[12]光环的外边界与一个强烈的3:2洛伦兹谐振[注8]位置相吻合。随着坡印廷-罗伯逊拖曳效应[注9]，尘埃粒子缓慢地向木星移动。当它们经过木星时，其轨道倾角发生变化。光环的内边界与最强的2:1洛伦兹谐振位置相距不远。[18][19][20]在这个共振中，尘埃粒子被迫坠入木星大气层，从而形成了一个清晰的内边界，也就是光环的形成。[3]
外观结构
主环狭窄，相对较薄，是木星环系统中最亮的一层。它的外部边界与木星最小的内卫星——木卫十五的轨道重合。[3]在背面散射光线中，主环看起来像刀片一样薄，在垂直方向上延伸不超过30km。[21]在侧面散射角度下，环的厚度为80km-160km，朝着木星的方向上有所增加。[9]“墨提斯裂口”（Metis notch）将主环分成两个部分：一个狭窄的外部和一个暗淡的内部。外部从128,000km到129,000km，其中有三个被裂口隔开的狭窄小环；内部从122,500km到128,000km，无任何可见的结构。[3]“伽利略号”轨道飞行器还发现一个约600km厚的暗淡物质云围绕在主环内部，在500km-1000km范围内有云班。[4]
亮度变化
在正面散射光线中，主环的亮度在128,600km处开始急剧下降，直到在129,300km处达到背景[注10]水平。而后朝着木星的方向，亮度又继续增加，在约126,000km的环中心达到最大亮度，但在位于128,000km处的木卫十六轨道附近有一个明显的缺口。主环的内部边缘亮度由124,000km处开始变暗，直到在120,000km处与光环融合。[4]
光谱性质
主环的光谱范围为0.5μm-2.5μm，显示形成主环的粒子为红色。[9]
主环的起源
在受到木星磁层的坡印廷-罗伯逊拖曳和电磁相互作用，主环上的尘埃不断被移走。而环内尘埃粒子的寿命从100年到1000年不等。因此，尘埃必须在大小为1cm-0.5km的大型天体之间，以及相同的大型天体与来自木星系统外的高速粒子之间的碰撞中不断得到补充。[3][22]而这些母体的分布被限制在主环的外部，包括木卫十五和木卫十六。[23]由碰撞产生的尘埃保持了大约与母体相同的轨道参数[注11]，并缓慢地向木星以螺旋状移动，形成主环。[3][22]
外观结构
阿马尔塞薄纱环的结构非常微弱、暗淡，横截面为矩形，环内尘埃总质量总约为107kg–109 kg。[22]它从木卫五轨道182,000km处伸延至129,000km。[3]由于存在更加明亮的主环和光环，它的内部边界尚不清楚。[4]阿马尔塞薄纱环在木卫五轨道附近的厚度约为2,300km，且往木星方向逐渐变薄。[17]
环内物质
在2002年至2003年间，“伽利略号”探测器经过阿马尔塞薄纱环，初次侦测到环内有0.2μm-5μm大小的尘埃颗粒。[24][25]阿马尔塞薄纱环内的粒子分布遵循与主环尘埃相同的幂次法则，为q=2 ± 0.5。[23][24]此外，“伽利略号”探测器的恒星扫描器在木卫五附近发现了一个小于1km的离散的天体，推测可能是该卫星撞击产生的碎片。[26]
亮度变化
阿马尔塞薄纱环在顶部和底部处最亮，越接近木星越亮，其外部边界相对陡峭。在正面散射光线下，阿马尔塞薄纱环看起来比主环暗淡约30倍。[4]在背面散射光线中，阿马尔塞薄纱环在木卫五轨道内部有一个亮度峰值，被限制在该环的顶部或底部边缘。[17][27]
外观结构
底比斯薄纱环是木星环系统中最暗淡的一层，环内尘埃总质量总约为107kg–109 kg。[22]环的外部边界不是特别陡，延伸超过15,000km。[4]底比斯薄纱环有一个矩形横截面，从木卫十四的轨道226,000km处延伸至129,000km。[3]因为有亮度更强的主环和光环存在，其内部边界尚不能明确界定。[4]在木卫十四外，勉强可见一个连续的环，伸延至260,000km，被称为“底比斯延伸”（Thebe Extension）。[4]
环内物质
亮度变化
在木卫十四轨道附近，环厚为8,400km。[17]在环的顶部和底部边缘附近最亮。[28]朝着木星方向，厚度逐渐变薄，[17]亮度逐渐增加。[28]
薄纱环的起源
薄纱环中的尘埃分别来源于木卫五和木卫十四。来自木星系统外的抛射体[注12]，在高速撞击后会从其表面释放出尘埃颗粒。这些尘埃颗粒一开始与抛射体的轨道相同，随后在坡印廷-罗伯逊拖曳的作用下，以螺旋状向内移动。因为木星卫星有一个非零的轨道倾角[注13]，因此，薄纱环的厚度由木星卫星的垂直移动决定。[22]
希玛利亚环
2006年9月，美国国家航空航天局的“新地平线号”探测器在飞往冥王星执行任务时，途中接近了木星以获得其引力辅助。因此，“新地平线号”探测器拍摄到了木星的卫星——希玛利亚（木卫六）周围有一个微弱的、未知的行星环或环弧。该环被称作希玛利亚环（Himalia ring），它与木卫六的轨道平行，且稍微靠近其内部。如果该环的反照率与木卫六相同，那么它的总物质量至少为0.04km3。考虑到木卫六轨道的旋进[注14]，如果这个环（弧）是来自木卫六的碎片，那么它一定是在最近才形成的。但也有可能该环是来自于一颗与木卫六相撞的未知小卫星的碎片。由此可以表明木星可能会继续通过碰撞获得或失去小卫星。[14]
观测与探测
木星环的存在是在1975年由“先驱者11号”探测器对木星行星辐射带（radiation belt）的观测所推断出来的。[29]1979年，“旅行者1号”拍摄了木星环系统的一张过度感光图片。[2]同年，“旅行者2号”拍摄到了更多更全面的照片，这让科学家们大体上了解了木星环的结构。[16]在1995年至2003年间，“伽利略号”轨道飞行器拍摄的高质量图像极大地拓展了对木星环的现有知识。[4]凯克望远镜在1997年和2002年，以及哈勃太空望远镜在1999年分别从地面和太空对木星环进行了观测，发现木星环在背向散射光线下的结构可见且丰富。[12][17]在2000年时，卡西尼号”在飞往土星的途中，对木星环系统进行了全面的观测。[30]2007年2-3月，美国国家航空航天局（NASA）的“新地平线号”探测器拍摄到了木星环的高分辨率图像，显示主环中有丰富的精细结构。[8][31]2022年，科学家们通过动力学模拟表明，对木星光环系统的观测较少是由于伽利略卫星产生的不稳定共振所致。[32]
参考资料 32
- 木星环 — 天文学名词
- 参考 3
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103598960729?via%3Dihub
- 参考 5
- 参考 6
- “新地平线”号探测器 — 中国大百科全书
- 参考 8
- https://ciclops.org/media/sp/2007/2687_7449_0.pdf
- 参考 10
- 参考 11
- 参考 12
- 参考 13
- 参考 14
- https://web.archive.org/web/20200616073630/https://hkvalidate.perfdrive.com/captcha?ssa=c3f22f43-1b05-49c0-b512-7258ce109b98&ssb=b64mpk1g5zpk0pp5bmpd0f3mz&ssc=http%3A%2F%2Fiopscience.iop.org%2F%2Fabstract%2F0034-4885%2F65%2F12%2F201&ssd=032429776486416&sse=ibp%40fjiladmlmla&ssf=9fdb51f1252be180d3e222fb0dbf4ad8778eb4a8&ssg=58694441-d665-4a78-b37d-4e1dbbd2fa5c&ssh=fae5edf9-5b78-4210-a145-35ee8afc4da9&ssi=3f116cc7-8427-4cba-8b75-678e2866c8be&ssj=20e6779a-ad69-4f41-95b7-190ac5d1c1dc&ssk=support%40shieldsquare.com&ssl=418220199399&ssm=86089471003809836105874142622933&ssn=db07be1a67518e02f2626518d3373803edf393e9393d-ef9e-4944-868f79&sso=ce31f39e-50d966be57a2329d20682f0ee7c0781127111e979c9e3b47&ssp=13036241841592253725159221755409225&ssq=61709339299082377220792990853922990208194&ssr=MjA3LjI0MS4yMjUuMTU5&sss=Mozilla%2F5.0%20%28compatible%3B%20Googlebot%2F2.1%3B%20+http%3A%2F%2Fwww.google.com%2Fbot.html%29&sst=Mozilla%2F5.0%20%28Windows%20NT%2010.0%3B%20Win64%3B%20x64%29%20AppleWebKit%2F537.36%20%28KHTML%2C%20like%20Gecko%29%20Chrome%2F74.0.3729.169%20Safari%2F537.36&ssu=Chrome%2F5.0%20%28iPhone%3B%20U%3B%20CPU%20iPhone%20OS%203_0%20like%20Mac%20OS%20X%3B%20en-us%29%20AppleWebKit%2F528.18%20%28KHTML%2C%20like%20Gecko%29%20Version%2F4.0%20Mobile%2F7A341%20Safari%2F528.16&ssv=v34vumln3ur3943&ssw=&ssx=126968914553564&ssy=hcj%40hjhmokckfgfdkj%40jolcjd%40jojlccdnopmbc%40&ssz=449466d2a20b056
- 参考 16
- 参考 17
- 参考 18
- 参考 19
- 参考 20
- Jupiter's Rings: Sharpest View — NASA
- 参考 22
- 参考 23
- 参考 24
- 参考 25
- 参考 26
- 参考 27
- https://www.astro.umd.edu/~hamilton/research/reprints/ShoPatVer08.pdf
- 参考 29
- 参考 30
- 参考 31
- https://iopscience.iop.org/article/10.3847/PSJ/ac7de6
注释
- 精细结构：由原子中电子自旋和轨道相互作用引起的原子能级的多重分裂结构。
- 光深：天文学名词，物质层的不透明性的量度。
- 母体：一种比尘埃颗粒更大、更长寿且产生尘埃颗粒的天体。
- 光子积分通量（Photon Fluence）：是一个物理量，用于描述在特定时间内，通过一个小而透明的假想球靶的所有光子的数量。这个量除以靶体的截面积，得到的就是光子积分通量。它也可以被理解为单位面积上的光子数。
- z是环平面上的高度
- 幂律：又称幂定律或幂法则，英文为Power law，是描述两个量之间函数关系的一种规律，这种关系表明一个量的相对变化会导致另一个量的相对变化，且与这些量的初始大小无关。
- 离心率：又叫偏心率，统一定义是在圆锥曲线中，动点到焦点的距离和动点到准线的距离之比。
- 洛伦兹谐振：通常指的是在电学中，振荡电路在特定频率下的共振现象，也称为“谐振”。
- 坡印廷－罗伯逊效应：光压使尘粒沿螺旋轨道缓慢落入太阳的一种效应。
- 背景：在天文学中通常是指来自看起来空无一物的夜晚天空部分中的光线。
- 轨道参数（或称轨道要素、轨道元素或轨道根数）是描述在牛顿运动定律和牛顿万有引力定律的作用下的天体或航天器，在其开普勒轨道上运动时，确定其轨道所必要的六个参数。由于运动的方式有许多种的参数表示法，依照选定的测量装置不同，对相同的轨道，有几种不同的方式来定义轨道根数。
- 抛射体：是一种力量的空间发挥，是投影到任何物体的力量。通过空间（例如投掷棒球）运动中的任何对象可以被称为一个抛物体。
- 轨道倾角：是指轨道平面与某个参考平面（通常是地球赤道平面）之间的夹角，是确定卫星或其他天体轨道空间位置的一个重要参数。
- 旋进：又称进动，一物体以一定的角速度自转，并同时自转物体之自转轴又绕着另一轴旋转的现象。