木星環(huán)，是指圍繞在木星周圍的行星環(huán)系統(tǒng)。它是太陽系第三個被發(fā)現(xiàn)的行星環(huán)系統(tǒng)，第一個和第二個分別是土星環(huán)及天王星環(huán)。木星環(huán)首次被觀測到是在1979年，由航海家一號發(fā)現(xiàn)及在1990年代受到伽利略號進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。木星環(huán)在25年來亦可以由哈勃太空望遠(yuǎn)鏡及地球觀察。在地上需要現(xiàn)存最大的望遠(yuǎn)鏡才能夠進(jìn)行木星環(huán)的觀察。

 系統(tǒng)簡介

隱約的木星環(huán)系統(tǒng)主要由塵埃組成。木星環(huán)分成四個部分：厚厚的粒子環(huán)面內(nèi)暈層稱為“光環(huán)”;一個相對光亮的而且特別薄的“主環(huán)”;以及兩個外部既厚又隱約的“薄紗環(huán)”(或稱“蛛網(wǎng)環(huán)”)，其名稱由形成她們的物質(zhì)的衛(wèi)星而來：木衛(wèi)五(阿馬爾塞)和木衛(wèi)十四(底比斯)。

木星環(huán)的主環(huán)及光環(huán)由衛(wèi)星木衛(wèi)十六(墨提斯)、木衛(wèi)十五(阿德剌斯忒亞)及其他不能觀測的主體因為高速撞擊而噴出的塵埃組成。在2007年二月至三月由新視野號取得的高分辨率圖像顯示主環(huán)有豐富的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

在可見光及近紅外線光線下，除了光環(huán)呈現(xiàn)灰色或藍(lán)色外，木星環(huán)會呈現(xiàn)紅色。在環(huán)內(nèi)的塵埃大小不定，但是所有環(huán)除了光環(huán)以外的塵埃橫切面面積最大為半徑約15微米的非球體粒子。光環(huán)主要由亞微米級塵埃組成。環(huán)狀系統(tǒng)的主要質(zhì)量(包括不可見的主體)約為1016公斤，和木衛(wèi)十五質(zhì)量相當(dāng)。環(huán)狀系統(tǒng)的年齡不詳，但是可能在木星形成時已經(jīng)存在。

主環(huán)介紹

范圍

狹窄且薄的主環(huán)是木星環(huán)系統(tǒng)最光的部分。她的外部邊界位于半徑1.806RJ(～129,000km;RJ=木星赤道半徑或是71,398km)并與木星最細(xì)小的內(nèi)部衛(wèi)星木衛(wèi)十五軌道吻合。她的內(nèi)部邊界不受任何衛(wèi)星定位并位于～122,500km(1.72RJ)。

受到正面散射時的特征

由以上的數(shù)據(jù)得知主環(huán)闊度為～6,500km。主環(huán)的外貌依觀察角度而改變。受正面散射(scattering)的光線(即光線散射的角度相對太陽光的為小)照射的主環(huán)的光度在128,600km急速下降(剛好在木衛(wèi)十五軌道的內(nèi)部)并在129,300km達(dá)到背景等級(backgroundlevel)(剛好在木衛(wèi)十五軌道的外部)。所以位于129,000km的木衛(wèi)十五可以清楚指示出主環(huán)位置。除了位于128,000km的木衛(wèi)十六軌道附近的部分顯著的缺口外，光度越接近木星便越會增加，并在環(huán)的中心點128,000km達(dá)至最高光度。主環(huán)的內(nèi)部邊界與此相反，由124,000至120,000km慢慢地變得暗淡，與光環(huán)融合。所有木星環(huán)在受到正面散射的光線照射下都會變得特別光亮。

上方圖像顯示由新視野號拍攝受到背向散射光線照射的主環(huán)，可以見到主環(huán)的外部精細(xì)結(jié)構(gòu)。下方圖像顯示受到正面散射光線照射的主環(huán)，可以見到主環(huán)除了墨提斯裂口外便沒有任何結(jié)構(gòu)。(CourtesyNASA/約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室JohnsHopkinsUniversityAppliedPhysicsLaboratory/美國西南研究院SouthwestResearchInstitute)

木衛(wèi)十五與木衛(wèi)十六軌道間的三個小環(huán)

情況在背向散射光線(即光線以相對于太陽光的180°作出散射)照射的情況下變得不同。位于129,100km，即略為在木衛(wèi)十五軌道外的主環(huán)外部邊界變得十分陡峭。衛(wèi)星的軌道被主環(huán)的一個裂口所標(biāo)示，所以有一個薄薄的小環(huán)剛好在軌道外。另外一個小環(huán)位于木衛(wèi)十五軌道內(nèi)，接著又有一個成因不明的裂口位于～128,500km。第三個小環(huán)在被發(fā)現(xiàn)在木衛(wèi)十六的軌道外的中央裂口內(nèi)部。主環(huán)的光度在木衛(wèi)十六軌道外部急速下降，形成“墨提斯裂口”(Metisnotch)。

主環(huán)的光譜特征

由哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、凱克天文臺、伽利略號和卡西尼-惠更斯號取得的主環(huán)的光學(xué)頻譜，顯示出組成主環(huán)的粒子是紅色的，所以她們的反照率在較長的波長較高?，F(xiàn)存的光譜橫跨0.5–2.5μm的范圍?，F(xiàn)階段無任何光譜特征可以指出那些粒子是那一種個別的化合物。主環(huán)的光譜特征與木衛(wèi)十五及木衛(wèi)五的十分類似。

嘗試解釋主環(huán)光譜特征的假說

主環(huán)的性質(zhì)可以由她包含顯著數(shù)量的0.1–10μm粒子大小的塵埃假說得到解釋。以上假說解釋了為何主環(huán)的正面散射比背向散射較強(qiáng).但是需要有較大的物體才能解釋主環(huán)光亮外部的強(qiáng)背向散射及精細(xì)構(gòu)造.

光環(huán)介紹

范圍

光環(huán)是木星環(huán)中最內(nèi)部及最厚的。她的外部邊界與主環(huán)內(nèi)部邊界在半徑122,500km(1.72RJ)重疊。由此半徑開始光環(huán)向木星快速增厚。光環(huán)的實際縱向伸延不明但其物質(zhì)可以在距環(huán)面高度高至10,000km偵測到。光環(huán)的內(nèi)部邊界十分清晰并位于半徑100,000km(1.4RJ)處，但部分物質(zhì)被發(fā)現(xiàn)在92,000km的更深入地區(qū)。所以光環(huán)的闊度約為30,000km。

外觀

她的形狀類似一個缺乏清楚內(nèi)部結(jié)構(gòu)的厚環(huán)面。與主環(huán)相對，光環(huán)的外觀與觀察角度只有少量關(guān)聯(lián)性。

亮度

在伽利略號廣泛拍攝的光環(huán)在正向散射光線中顯得最亮。雖然光環(huán)的表面光度比主環(huán)小很多，其與環(huán)平面垂直的綜合光子通量(Flux)則因為其較大的厚度而可以與主環(huán)比較。雖然她有一個號稱長于20,000km的垂直伸延，光環(huán)的光度在環(huán)面最為集中并遵守冪次法則(與z−0.6toz−1.5成正比例)，而z是環(huán)面垂直的高度。光環(huán)由凱克天文臺及哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在背向散射光線下觀察的外表基本相同，但其總光子通量比主環(huán)小幾倍，并在越接近環(huán)面便越集中。

光譜性質(zhì)

光環(huán)的光學(xué)頻譜性質(zhì)與主環(huán)不同。其在0.5–2.5μm級別的通量分布比主環(huán)較平;光環(huán)不是紅色而可能甚至是藍(lán)色。

光環(huán)的起源

含塵成分與光深度

光環(huán)的光學(xué)性質(zhì)可以由她只由粒子大小小于15 μm 的塵埃構(gòu)成的假設(shè)得到解釋。光環(huán)遠(yuǎn)離環(huán)平面的部分可能包含超微米的塵埃。此含塵的成分解釋了光環(huán)的較強(qiáng)正向散射、藍(lán)色及缺乏可見結(jié)構(gòu)。

高厚度與木星磁圈

光環(huán)的高厚度的原因在于木星磁圈的電磁力刺激到塵埃的軌道傾角及軌道離心率。光環(huán)的外部邊界與強(qiáng)力羅倫茲共振(Lorentz Resonance)(羅倫茲共振是一個粒子軌道運(yùn)動與行星磁圈轉(zhuǎn)動之間，當(dāng)她們的軌道周期比例是一個有理數(shù)時產(chǎn)生的共振)的位置重疊。當(dāng)波印廷-羅伯森效應(yīng)(Poynting-Robertson effect)把粒子緩慢拉往木星，她們的軌道傾角在經(jīng)過時會受到刺激。繁盛的主環(huán)可能正正是光環(huán)的開始。

明確內(nèi)部邊界與羅倫茲共振 光環(huán)的內(nèi)部邊界距離最強(qiáng)的2:1羅倫茲共振不遠(yuǎn)。在此共振下刺激可能十分顯著，令粒子沖入木星大氣層內(nèi)，所以令光環(huán)有一個明確的邊界。根據(jù)主環(huán)的推算，光環(huán)的質(zhì)主環(huán)有相同的年齡。

薄紗光環(huán)

底比斯薄紗光環(huán)

范圍

底比斯薄紗光環(huán)是木星環(huán)中最暗淡的。她顯示出十分暗淡和有一個矩形橫切面的結(jié)構(gòu)，由位于226,000 km (3.11 RJ)的木衛(wèi)十四軌道伸延至129,000 km (1.80 RJ)。其內(nèi)部邊界因為光亮很多的主環(huán)及光環(huán)存在而不能明確界定。她的厚度約距木衛(wèi)十四軌道8400 km 及越接近木星就越薄。底比斯薄紗光環(huán)實際上在頂部及底部為最亮，其光度在越接近木星時越會上升。其外部邊界并不特別陡峭，伸延超過15,000 km。

底比斯延伸

在木衛(wèi)十四外勉強(qiáng)可見一個連續(xù)的環(huán)，伸延至260,000 km (3.50 RJ)，被稱為“底比斯延伸”(Thebe Extension)。她在正向散射光線下比阿馬爾塞薄紗光環(huán)暗淡3倍。在背向散射光射下她只能夠由凱克天文臺的望遠(yuǎn)鏡所偵測到。背向散射圖像顯示她在木衛(wèi)十四內(nèi)部不遠(yuǎn)有一個光度的上升。

質(zhì)量與光深度性質(zhì)

底比斯薄紗光環(huán)的光深度約為3×10−8(比阿馬爾塞薄紗光環(huán)低3倍)，但塵?？傎|(zhì)量相同(約為107–9 kg)。在2002年至2003年間伽利略號經(jīng)過底比斯薄紗光環(huán)，令她的塵埃初次被偵測到。其次量度透露她的粒子大小為0.2–3 μm ，所以確定了薄紗光環(huán)的塵埃成分。

薄紗光環(huán)的起源

薄紗光環(huán)中的塵埃與主環(huán)及光環(huán)的來源基本相同。她的來源分別為木星月亮木衛(wèi)十四及木衛(wèi)五。由木星系統(tǒng)以外而來的拋射體(projectiles)的高速撞擊由其表面放射出塵埃粒子。那些粒子一開始與其月亮的軌道相同，但漸漸的因為波印廷-羅伯森效應(yīng)而以螺旋狀向內(nèi)移動。薄紗光環(huán)的厚度由其月亮的垂直游移決定，因為其月亮有一個非零的軌道傾角。以上假設(shè)基本上解釋了幾乎所有的薄紗光環(huán)的可見性質(zhì)：矩形橫切面、厚度依照往木星方向而下降與及在頂部及底部的光度。但有部分性質(zhì)仍然未能解釋，例如"底比斯延伸"(其出現(xiàn)可能是因為在木衛(wèi)十四外的不可見物體)及在背向散射光線下的可見結(jié)構(gòu)。

觀測歷史

隨著行星際空間探測器的發(fā)射，不斷揭示出太陽系天體中許多前所未知的事實，木星環(huán)的發(fā)現(xiàn)就是其中的一個。早在1974年"先鋒11號"探測器訪問木星時，就曾在離木星約13萬公里處觀測到高能帶電粒子的吸收特征。

兩年后有人提出這一現(xiàn)象可用木星存在塵埃環(huán)來說明?？上М?dāng)時無人作進(jìn)一步的定量研究以推測這一假設(shè)環(huán)的物理性質(zhì)。1977年8月20日和9月5日美國先后發(fā)射了"旅行者1號"和"旅行者2號"空間探測器。經(jīng)過一年半的長途跋涉，"旅行者1號"穿過木星赤道面，這時它所攜帶的窄角照相機(jī)在離木星120萬公里的地方拍到了亮度十分暗弱的木星環(huán)的照片。同年7月，后其到達(dá)的"旅行者2號"又獲得了有關(guān)木星環(huán)的更多的信息。

根據(jù)對空間飛船所拍得照片的研究，現(xiàn)已知道木星環(huán)系主要由亮環(huán)、暗環(huán)和暈三部分組成。環(huán)的厚度不超過30公里。亮環(huán)離木星中心約13萬公里，寬6000公里。暗環(huán)在亮環(huán)的內(nèi)側(cè)，寬可達(dá)5萬公里，其內(nèi)邊緣幾乎同木星大氣層相接。亮環(huán)的不透明度很低，其環(huán)粒只能截收通過陽光的萬分之一左右?？拷镰h(huán)的外緣有一寬約700公里的亮帶，它比環(huán)的其余部分約亮10%，暗環(huán)的亮度只及亮度環(huán)的幾分之一。暈的延伸范圍可達(dá)環(huán)面上下各1萬公里，它在暗環(huán)兩旁延伸到最遠(yuǎn)點，外邊界則比亮環(huán)略遠(yuǎn)。據(jù)推算，環(huán)粒的大小約為2微米，真可算是微粒。這種微米量級的微粒因輻射壓力、微隕星撞擊等原因壽命大大短于太陽系壽命。為了證實木星環(huán)是一種相對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)這一說法，人們提出了維持這種小塵埃粒子數(shù)量的動態(tài)穩(wěn)定的幾種可能的環(huán)粒補(bǔ)充源。

看不見的木星環(huán)

1979年3月，旅行者1號探測器穿越木星赤道平面時，在離地球6億千米處發(fā)回大量的珍貴照片。出乎人們所料，發(fā)現(xiàn)木星和土星一樣也擁有光環(huán)。4個月后，旅行者2號探測器飛臨木星證實了這個結(jié)論。但木星光環(huán)和土星光環(huán)有很大不同，木星光環(huán)是彌散透明的，由亮環(huán)、暗環(huán)和暈三部分組成。亮環(huán)在暗環(huán)的外邊，暈為一層極薄的塵云，將亮環(huán)和暗環(huán)整個包圍起來。木星環(huán)離木星中心約12.8萬千米，環(huán)寬9000千米，環(huán)的厚度只有幾千米左右，是由大量的塵埃和黑色的碎石組成。這些碎石的大小從1/1000毫米到數(shù)十米不等，不反光，肉眼無法看到，以周期為7小時左右的速度圍繞木星旋轉(zhuǎn)。暗淡單薄的木星環(huán)套在龐大的木星身軀上，發(fā)現(xiàn)它確實是極不容易的。它對研究行星的起源和演化有著重要的啟示，或許其它行星也有不易看到的環(huán)。

探索歷史

木星環(huán)的存在是在1975年由先鋒11號對于行星輻射帶(radiation belt)的觀察所推演出來的。在1979年，旅行者1號拍攝了木星環(huán)系統(tǒng)的一張過度感光圖片。更廣泛的拍攝由旅行者2號在同年進(jìn)行，容許了對木星環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個粗略估計。由伽利略號在1994年至2003年間拍攝取得的極佳質(zhì)素圖像大大的增加了對木星環(huán)的現(xiàn)有知識。由凱克天文臺在1997年及2002年對木星環(huán)進(jìn)行的地面觀測及哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在1999年的觀測透露了木星環(huán)在背向散射光線下的豐富可見結(jié)構(gòu)。由新視野號在2007年二月至三月期間傳送的圖像令主環(huán)精細(xì)結(jié)構(gòu)可以被首次觀察。在2000年，卡西尼-惠更斯號往土星的旅程中對木星環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛觀察。未來對木星系統(tǒng)的任務(wù)將可提供對木星環(huán)更多的資訊。