木星的光环系统（上）

□ 刘 炎

木星的光环系统（上）

□ 刘 炎

天王星的光环发现之后，人们的问题是：以光环著称的土星是一颗类木行星，天王星也是一颗类木行星，那么其他类木行星，特别是木星本身是否也会拥有光环呢？

1979年3月7日， 美国加利福尼亚州巴萨迪纳的喷汽推进实验室（JPL）（具体管理和实施“旅行者号”探测计划的机构）的科学家们宣告：刚刚到达木星的旅行者1号宇宙飞船发现，在木星周围也有一个暗弱的光环，这是旅行者1号飞往木星探测时的第一个惊人发现。

发现

1979年3月4日，就在即将到达距离木星最近位置（距离为34.9万千米）之前的一天，旅行者1号飞船拍摄到了一张盼望已久的特殊照片（图1）。

四个月后，旅行者2号也接踵飞达木星，进一步拍摄到了清晰的照片，从而确证了木星光环的存在。木星也就成了太阳系中继天王星之后第三个被发现拥有光环的行星。

图1 这是第一张关于木星光环的照片，经多次的曝光，总的曝光时间达11分钟12秒。穿过画面中心的那片由多条细带组成的宽阔光带显示了一个极薄而又极暗的微弱光环。波折状的白色光迹是背景星曝光的星迹，是由于飞船的一个周期为78秒的缓慢摆动造成的；那些排列整齐的黑点是一些几何校准点。环带的厚度估计只有30千米甚至更少，环带在木星云层之上约5.7万千米。拍摄时旅行者1号距离木星为121.2万千米

图2 这是两张确证木星光环存在的照片。拍摄时旅行者2号飞船距离木星环有150万千米，正处在木星阴影中，太阳几乎就在木星的后面，光环在前向散射的阳光中显得特别明亮。照片还揭示了木星环有着某些径向的结构。对于阳光的强烈前向散射，又是散射粒子尺度极小的显著特征。（1979年7月10日拍摄）

与天王星光环的意外发现不同，旅行者号飞船拍摄到木星的光环并非纯属偶然。其实，搜索木星赤道平面上是否存在光环是早先就有安排的一个探索计划。因为早在1973年和1974年，先驱者10号（Pioneer 10）和先驱者11号（Pioneer 11）飞掠木星、探测木星的高能粒子辐射带时，就曾发现了一些异常现象：“在先驱者10号飞掠到最低高度附近时观测到的质子通量的减少可归因于木卫五对高能粒子的吸收”、“木星的内卫星是高能粒子汇聚处，或者又可能是源泉”（参见《Science，02 May 1975，p.465》）。因而研究者当时就猜测，在木星的赤道平面上有可能存在着由某些物质粒子汇聚成的环带。而在1977年3月10日天王星光环的意外发现，无疑又大大增强了探索者们的信心。

在旅行者号飞船之后，1995年至2002年期间伽利略号飞船对木星的卫星和光环进行了深入的探测研究，拍摄到了大量的优质图像，进一步发现木星的光环也有着颇为复杂的结构，奠定了对木星环系统的基本认识。同时，夏威夷的凯克天文台在1997年及2002年也对木星环进行长期的地面基地观测；哈勃太空望远镜1999年时揭示了在背向散射光线下观测到的木星环的丰富结构。在2000年，卡西尼-惠更斯探测器在飞往土星的旅程中对木星系统飞掠时也进行了广泛的探测。在2007年2月至3月期间，由新视野号飞船传回的图像更首次揭示了主环的精细结构。

木星光环系统的结构

图3 木星光环系统结构的一个模型图，显示有四个主要组成部分，从内向外依次是晕环、主环和木卫五薄纱环（Amalthea Gossamer Ring）及木卫十四薄纱环（Thebe Gossamer Ring）。图中还画出了与这些环带密切相关的四颗木卫。为了简单起见，木卫十六（Metis）和木卫十五（Adrastea）画在了同一个轨道上，实际上木卫十六的轨道还要在木卫十五轨道之内约1000千米。

现在我们已经知道，木星的光环并不是一个简单的环带，虽然它不像土星光环系统那么复杂，但也有着若干个环带，组成了一个光环系统。

木星的光环系统十分暗弱，有四个主要的环带：其中相对最亮的是一个薄薄的“主环（Main Ring）”；主环之内是一个轮胎状的光晕环圈，称为“晕环（Halo Ring）”；主环之外则是两个更加暗弱但又相当宽阔的薄纱状环带，称为“薄纱环（ Gossamer Ring）”。两个薄纱环就像套在一起的两个夹心薄饼那样，其名称分别得自于它们组成物质来源的两个卫星：“木卫五（Amalthea）”和“木卫十四（Thebe）”。

下表列出了这些环带的主要参数和性质：

表1 木星环带系统的主要参数和性质

关于木星环带的中文名称

在此要说明的是，上面（表1）中木星环带的中文名称主要是本文作者的建议名称。

木星环带的英文名称已有国际的规范，由国际天文学联合会（IAU）的行星系统命名工作小组（WGPSN)定名，由IAU正式颁布，得到世界各国天文界的一致公认。相应于这些英文名称的中文名则由我国的天文名词委员会定名公布。

然而现今的情况是天文名词委员会尚未对这些木星的环带正式定名，因而在一般的媒体刊物上涉及时，往往是借用“维基网•中文版”或“百度百科”的译名。而后者的译名又基本上是搬用了前者，笔者以为这两个网上的四个译名中有三个欠妥。

太阳系中“行星光环”在英文中一般称为“planetary rings”或“planetary ring system”，严格地说，在中文中应称为“行星的环带系统” 或“行星环系统”，因为各个行星的光环都并非是单独的一个环带，而是由多个环带组成的一个复杂的环带系统。因此对于土星、天王星和木星等各大行星而言，它们的“光环”应该分别称为“土星环带系统”、“天王星环带系统”和“木星环带系统”等；在英语中的原文则是“Rings of Saturn（或Jupiter、Uranus）”或“Saturian（或Jovian、Uranus'） Ring System”等。

但是由于历史的原因，也由于使用的方便，在中文中人们往往会简称为“土星的光环”、 “木星的光环”、“天王星的光环”和“海王星的光环”等。实际上，后者的名称是不严格的，然而由于现今的使用已经极其广泛，也就已成一种俗成的称呼了。不过，此处的“光环”已不是指单个的环带，而是指该行星的整个环带系统了。

英文“Halo Ring”中的“Halo”，其原意应是“光晕，晕圈，晕环”等，此种环带的亮度较弱，边界也不太明晰，与中文的“光环”（一般指边界较为明晰的发光环带）的含义显然有相当的差别，因此应该译为“晕环”而不宜译成“光环”。同时，如果将“Halo Ring”译成“光环”，还会与“木星环带系统”的俗称“木星的光环”相混淆。而且对于单个环带而言，笔者认为已不宜再说成“XX光环”，而应称为“XX环带”了。此外，如用音译为“哈洛环” ，也是欠妥的。

至于两个薄纱环名称中的“Amalthea”和“Thebe”，原本是木星的两颗卫星木卫五和木卫十四的英文名称。对于木星卫星的中文译名，就像对于太阳系其他行星的所有卫星之译名一样，按传统和惯例都一律不用音译或意译，而是基本上根据它们被发现和命名的时间顺序先后，依次定名为“×卫一”、“×卫二”、“×卫三”、……、“×卫十一”……这些卫星的译名也都由我国的天文学名词审定委员会审定并公布。因此也不宜用“阿马尔塞薄纱光环”和“底比斯薄纱光环”这样的音译。由此，“Amalthea Gossamer Ring”和“Thebe Gossamer Ring”也应根据卫星名称的规范称呼译为：“木卫五薄纱环”和“ 木卫十四薄纱环”（也不宜加“光”字）。

当然，对木星卫星的名字，从而木星环带的名称都源于希腊的神话故事，在某些特殊的场合，为了增加这些卫星译名的故事性或趣味性，往往会按原意进行音译或意译，然而对于这些卫星和环带的中文译名如果又去采用一般性的，或通俗文化的音译（例如“维基百科”等网上），有时就会使读者很难把这些译名与原有的希腊神话故事以及相应的土星卫星联系起来。笔者认为，那就应该使用这些名字在希腊神话或罗马神话中已有的、惯用的称呼，而不宜另用新的译名。

作为比较，下表列出了这四个环带名称的英文名、维基和百度等网上的中文译名以及本文作者的建议译名，以做参考：

表2. 木星环带的中英文名称对照

主环

木星光环系统中最明亮、最显著的部分是主环，然而那也只是一个狭窄的薄环。其外边界位于离木星中心约129,000千米处，即主环的外半径为1.806RJ（RJ=木星的赤道半径，为71,398千米），这与木星最小的内卫星木卫十五的轨道相吻合；而内边界则位于约122,500千米处，即主环的内半径为1.72RJ，该处还没有发现任何卫星。由此可知，木星主环的宽度约为6,500千米。

在旅行者号飞船探测发现木星光环之后，伽利略号轨道飞行器和新视野号飞船也都对木星环做了进一步的探测。

下面两图（图4、图5）是伽利略号轨道飞行器于1996年9月9日拍摄到的木星主环的优质图像。

主环的外观形态与观测的方向大有关系。

在天文观测中，例如对于行星环和彗星的观测中，为了使亮度或细节更加突出，经常利用两个特殊的方向的观测。一个是所谓的“前向散射光”的观测（In forward-scattered light，也称“正向散射光”），另一个则是所谓的“后向散射光”的观测（In back-scattered light，也称“背向散射光”）。以观测对象为中心，位于太阳同一方向的观测称为“后向散射光”的观测；而在与太阳相对方向的观测则称为“前向散射光”的观测。如果环带或彗尾中的物质粒子非常小，只有微米的量级，前向散射光就要比后向散射光强得多。对于木星的主环，在这两种不同方向的观测图像确也有着极大的差别，图4就是在前向散射光中拍摄的。

新视野号飞船在2007年2月至3月飞掠木星时又拍摄到了更加清晰的图像。

图4 伽利略号轨道飞行器于1996年9月9日在前向散射光中拍摄到的木星主环。可以看到主环的内边界甚为弥散，而外边界则相当明锐。右侧靠近环带的外边缘附近，有一个明显的暗带，被称为木卫十六环隙，那里正是木卫十六的轨道所在。

图5 对图4中的图像进行处理后突出了主环带内的结构，在木卫十六环隙（Metis notch）内侧（右侧）可以看到一个亮带（patches），可以称为中央亮带。

图6 新视野号飞船在2007年2月28日拍摄到的木星主环外侧的最清晰图像。上图是在后向散射光拍摄的，可见到主环外侧的精细结构。下图则是在前向散射光拍摄的，除了木卫十六轨道处的环隙之外看不出任何细节。

图6中，在前向散射（即大致是对着太阳光的方向）光线的情况下，主环的亮度较强，呈现为一条宽度为数千米的亮带。环带的外侧边缘较为明晰，内侧的亮度逐渐减弱，然后融合在内圈的晕环（Halo ring）之中。在图中可以看出，在靠近外侧边缘的不远处，有一个明显的亮度较弱的暗带，被称为是“中央环隙（central gap）”，其产生的原因，至今还一无所知。

在后向散射（即大致是背着太阳光的方向）光线的情况下，在主环中只能看到三个相对较亮的、很细的窄环。中间那个最亮的叫中央小环（central ringlet），离木星中心的距离大约是12850千米。外侧的那个叫外小环（outer ringlet），内侧的则叫内小环（inner ringlet）。外小环和中央小环之间的小缝隙正是木卫十五的轨道所在处，也称为是木卫十五环隙（gap of Adrastea）。外小环就紧贴在这一环隙的外侧，因此木卫十五被认为是主环外侧的牧羊犬卫星。在中央小环和内小环之间的那个稍宽的暗缝，就是在前向散射光中呈现的中央环隙。在内小环内侧的不远处是木卫十六的轨道，紧靠木卫十六轨道的内侧，又有一个稍宽的暗缝，称为木卫十六环隙（Metis notch）。木卫十六环隙之内，就已看不到任何的精细结构了。

表3 主环中的细节结构（小环和环隙）

*表3说明：上表内容是根据有关的英文资料原文整理编集的，其中各个小环和环隙的名称迄今尚未有正式的定名，都是笔者的初步建议名称。环带中的两条暗缝都极其狭窄，因此都不宜用“环缝”之说，而称之为“环隙”。

表3中列出了主环中各个小环和环隙的大致位置。

在前向散射和后向散射的不同光线中，主环分别呈现出不同的图像，这意味着主环中有着尺度大小不同的物质。因为尺度大小不同的粒子，其反射特性也不同：极其细小的尘埃物质主要是散射出前向的光线，而较大的颗粒碎片则主要是散射出后向的光线。

由此可以对上述主环环带中的细节结构作一粗略的解释：由于尘埃颗粒的前向散射要比后向散射强出许多（约20）倍，就意味着尘埃粒子的尺度是微米量级（0.1～10μm）的。而在背向散射光线中显现的在木卫十六与木卫十五轨道之间三个小环，表明其中的物质颗粒较大，可达厘米甚至0.5千米的量级。

主环是一个薄环，其垂直方向的厚度在不同方向的观测中也有着相当的差别。在背向散射光的观测时不足30千米，而在正向散射的角度上要厚很多——约300千米。此外，在侧向散射光的角度下，主环的厚度大致在80～160千米的范围，而且在向着木星的方向上逐渐有所增加。

图7 木星环带的形成机制的示意图。一般环带中微小颗粒的寿命只有上百年的时间，这与太阳系的年龄相比是极其短暂的。

主环内尘埃和颗粒物质的总质量估计约为107～109千克。这些物质成分的主要来源，现一般认为是环带外边缘的卫星。具体来说就是木卫十五和木卫十六（离木星比木卫十五更近1000 千米）以及这两颗卫星轨道之间的某些大小客体。

卫星和那些大小客体会受到外来流星体的高速撞击，撞击后被抛射出的碎块和尘埃粒子也会围绕着木星运转，其中易挥发的物质——例如水冰——会迅速地蒸发掉。一开始，那些留存下来的物质粒子的轨道与其母卫星（或母客体）的相同，但由于太阳辐射压的波印廷-罗伯森拖拽效应（Poynting-Robertson drag）以及木星磁层电磁力的共同作用，就以螺旋线形的路径渐渐地向内侧移动而形成一个环带。但那些尘埃和粒子的寿命大约只有100至1000年，因此它们必须要得到源源不断的补充，才能维持。我们现在还不清楚主环的寿命至今已有多少年，但它很可能是远古时期木星近处那些小天体的最后残存者。

图8 这是2015年8月16日拍摄的一张木星环系的红外图像。

图9 拍摄时伽利略号飞船正处于木星后面的阴影中（即太阳正被木星掩食），而且在主环平面以上0.5°的方位上。在前向的太阳散射光中，木星环和木星上层大气中极其微小的尘埃颗粒都会凸显出来。照片上主环的外半径约为23万千米，这正是木卫十四轨道的位置。（拍摄于1996年11月9日）

图10 伽利略号轨道飞行器于1996年9月9日在前向散射光中拍摄到的位于晕环（ Halo Ring）外侧的木星主环及其光晕（halo bloom）。

图7是上述关于木星主环形成机制的示意图。

哈勃太空望远镜、凯克天文台、伽利略号和卡西尼-惠更斯号等都拍摄了主环的光学波段的光谱，发现谱带区主要在波长0.5～2.5微米之间，这意味着组成主环的粒子是红色的。这一光谱特征与木卫十五及木卫五的十分类似。

在前向的太阳散射光中木星主环显现为一个较亮的薄环，这主要是微米量级（0.1～10μm）尺度的尘埃粒子反射光线。而在木星大气的高层，其尘埃粒子的尺度也是微米的量级。由此，伽利略号宇宙飞船曾在前向的太阳散射光中拍摄到了一张特殊的照片：同时呈现出了木星主环和大气高层的图像。

伽利略号飞船还曾发现，主环的外围被一圈光晕（halo bloom）状的云团包裹着，光晕是一个更加暗淡、相对较厚（～600千米）的稀薄云团。越向主环的内边界，光晕就越厚，最后就过渡到更内侧的晕环（Halo Ring）。见图10。

（责任编辑 张长喜）