缓慢变化中的木星磁场
最近这些年来，太阳系最为庞大的行星——木星可谓新闻频出。前脚行星科学家还在因为大红斑逐年加速缩减的原因莫衷一是，后脚赤道地区原本呈白色的条带又刚刚变成了棕红色。这些仅凭业余望远镜就可以注意到的现象说明了气体巨行星上天气现象的复杂性，还有我们对其认识的局限所在。而就在不久之前，研究者又发现，就连不那么直观的木星磁场也存在着长期的变化，而且这种变化看上去与行星大气的活动息息相关。
哈勃空间望远镜在上世纪90年代拍摄的木星（左，图片提供：Reta Beebe, Amy Simon & NASA）与南非天文爱好者克莱德·福斯特（Clyde Foster）在今年5月拍摄的木星（右）的对比图，可见赤道部分原本呈白色的云带现已变为棕红色。
与地球磁场类似，从大尺度上看，木星磁场也呈偶极形态，其磁轴和自转轴之间存在大约11度的夹角。在太阳风的影响下，木星磁场同样具备弓形激波与长长的磁尾，还拥有由被束缚带电粒子构成、可以类比为范·艾伦辐射带的区域。只是与地球相比，木星磁场的强度格外高，达到了前者的2万倍之巨，所以其影响范围甚至一直延伸到了土星轨道的所在。
按照通行的理论，木星的磁场源于可见云层之下由金属氢构成的区域——从木星表面向内潜入星球内部，温度、压强和物质密度都会一路上升。在高温高压的条件下，构成木星的主体元素——氢和氦首先会表现出液体的性质；随后当温度与压强继续增加时，氢元素据信还可以表现出类似于液态金属的行为，具有良好的导电性。穿行在这里的电流诱发并维系了磁场。由于磁场如此的深层起源，考察它的特性以及长期演化还可以帮助人们更好地认识这颗巨行星（以及其他相似天体）的内部构造。
木星内部结构的假想图，图中剖开部分的橙红色区域对应金属氢区。（图片提供：Calvin J. Hamilton）
想要了解木星磁场长时间的变化情况并非易事。从先驱者时代起，前往木星的空间探测器大都携带了磁力计，当前正在大偏心率高倾角轨道上环绕木星运行的朱诺号更是以空前的精度勾勒出了如今木星磁场的三维形态。不过倘或要比较这些采集自不同时期的数据，就要面临一系列的麻烦了：木星表面参考系的建立、木星自转周期的确定（要知道，气态行星并无地球这样的固态地貌，因此在其上定义经纬度、测量自转都是大问题），还有数据中外部磁场成分的扣除……只有将这些因素考虑完善，才有可能让并不明显的磁场长期变化揭露出来，这句话当然也是说来容易，真正做到则困难重重。
朱诺号环绕木星运行的轨道。（图片提供：NASA/JPL-Caltech）
而这正是来自哈佛大学的金伯利·穆尔（Kimberly Moore）率领的研究团队最近所做的工作。他们首先根据朱诺号新近的测量，计算出了包括先驱者10号和11号、旅行者1号，还有尤利西斯号在内的历代木星探测器飞行轨迹上当前的磁场强度，随后将理论预期的场强与数十年前的测量结果做了对比。穆尔等人发现，哪怕考虑最坏的可能性，也就是木星自转测量误差最大的情况下，至少对于旅行者1号和尤利西斯号的数据而言，场强的变化仍旧清晰可见。
旅行者1号（左）与尤利西斯号（右）分别在1979年和1992年测得的木星径向磁场强度与当前场强的比较。图中黑色曲线代表两组数据的差值，灰色区域是误差范围，横轴是探测器同木星的距离（单位：木星半径），纵轴单位为纳特斯拉。（图片来源：Moore et al. 2019）
其实说来自先驱者10号1973年飞掠木星至今这40多年的时间里，木星磁场强度变化的幅度不算大，只有数十纳特斯拉，不过相当于地球磁场强度的数千分之一。但增是这区区数十纳特斯拉的场强变化却透露了木星条带风（zonal wind）的重要性。我们知道，木星表面红白相间的条带都裹挟着强劲的气流。而朱诺号的重力测量表明，这样的气流活动可以一直向下延伸到3000千米深处，这里的极端环境足以让氢原子具备导电性。穆尔等人的理论计算证明，在木星内部条带风的径向移动能够让磁力线发生形变，从而合情合理地解释他们所发现的场强变化。
更值得一提的是，木星南半球一处名叫大蓝斑的磁场结构对磁场的变化贡献甚多。这处磁场反常区是高磁场梯度与强风的结合体，肉眼并不可见，只是因为这里具有极强的负极磁场，而负极一般以蓝色表示，故名。理论上说，此处的磁场变化幅度也堪称全木星之最，再经过若干年的考察，朱诺号甚至有望直接感知大蓝斑本身的场强改变。
木星磁场的磁力线走向与大蓝斑示意图。（图片提供：NASA/JPL-Caltech/Harvard/Moore et al.）
木星磁场缓变现象的发现是人们第一次在地球之外觉察到此类过程的存在，堪称行星磁场研究史上的里程碑。如前所述，这一现象本身为木星大气活动带来了新的线索；同时，它还为地球磁场提供了参照和对比的标准——毕竟我们对自身所生活的行星有待了解的东西还有很多很多。
注：本文为约稿，即将发表于《天文爱好者》杂志2019年9月号，请勿转载。
