木星及其卫星
第六节 木星及其卫星
木星是一颗“巨行星”，是太阳系中个头仅次于太阳的最大的行星。事实上，木星的大小是所有其他行星总和的3倍之多，其质量大约是所有其他行星总和的3倍。但是它仍然比不过太阳系的中心天体，木星的质量还不到太阳质量的1/1 000。
图33 木星
1903年9月、1904年10月、1905年11月都发生了木星冲日，而且此后持续数年，大约每一年都比前一年错后一个月。因其亮度和颜色，接近冲日时木星在夜晚的天空很容易辨认。此时，它是天空中仅次于金星的最亮的类似恒星的天体。因为它的颜色比金星白，所以很容易区别于金星。即使用最小的天文望远镜，甚至是一个不错的普通望远镜，都很容易看出它是一个相当大的星球，像恒星一样，而非一个亮点。我们还会看到两条昏暗的带状条纹穿过圆面。200年前惠更斯就注意到并画出了这两条带状条纹。使用倍数更高的望远镜发现，这两条看起来像带子一样的条纹像云彩一样变化多端，而且不仅每个月发生变化，甚至每天晚上都发生变化。时时刻刻仔细观察它们发现，木星的自转周期大约是9小时55分。因此，天文学家一个晚上就可以连续看到木星表面的每一个部分。
用望远镜观测木星，其呈现出的两个特征会立刻引起细心的观测者注意。其中之一是，圆面的亮度似乎不均匀，接近边缘的地方逐渐暗淡，边缘处既不明亮也不清晰，而是有点模糊。这与月球和火星呈现出的外观形成了鲜明的对比。圆面边缘变暗有时是包裹行星的大气层的浓密引起的。
另一个特征是，木星的圆面是椭圆形的。木星不是一个标准的球体，和地球一样，其两极处扁平，且扁平的程度更大。即使最细心的观测者从另一个行星上观测地球也看不出地球不是球形，但是如此观测木星，其与球形的差别则非常明显。这是由于其高速自转引起赤道区域向外突出，地球也是如此，只是程度较轻。
木星的表面
从望远镜中观察，木星的样子与我们在地球大气层中所见的云彩一样变化多端。那里有细长的云层，产生原因与地球上云层产生的原因相同，即气流。经常可以在这些云中看到白色的圆点。云有时呈淡粉色，尤其在赤道附近。在赤道南北两边的中纬度地区，云的颜色最暗也最明显，正是由于这个原因，所以用小型望远镜会看到深色的带状条纹。
木星的外观在各个方面都与火星或金星有很大差别。与火星相比，最明显的差异是木星没有恒久不变的特征。经过一代又一代的观测，人们可以绘制出火星的地图，并验证其准确性，然而由于木星没有恒久不变的特征，不可能为木星绘制出地图之类的东西。
尽管缺乏稳定性，但也有些特征持续若干年，其中或许有稳定不变的。其中最引人注意的是大红斑，其于1878年出现在木星南半球中纬度地区。大红斑持续几年一直非常清晰，很容易从颜色上辨认，如图34所示。10年之后大红斑开始暗淡，但变化不一。有时似乎完全消失了，然后再次明亮。这些变化一直持续，直至1892年基本上微弱得不再能看见。如果大红斑最终消失了，那它也是在不知不觉中消失的，甚至不知道最后一次出现的确切日期，一些眼力好的观测者仍然不时报告能够看到它。
图34 木星大红斑(https://www.daowen.com)
木星的构成
这颗奇特的行星的构成仍然悬而未决。没有一种假说可以解释所有的问题，假说提出了许多观点，然而除了受到否定极少得到证实。
或许这颗行星最明显的特征是密度较小。木星直径大约是地球直径的11倍，从而体积必定超过地球体积1 300倍之多；但其质量只有地球质量的300倍多一点。由此可见其密度比地球小很多；事实上，木星的密度只比水的密度大1/3。简单的计算表明其表面引力是地球表面引力的2~3倍。我们认为在这个巨大的引力之下，其内部受到极度压缩，其密度会很大。如果它是由构成地球表面的固体或者液体构成的，那么情况一定是这样的。单单基于已知事实推断，其外部至少由气态物质构成。但是如何用这种构成解释红斑持续了25年之久呢？这的确是一个难题。
尽管如此，我们只能被动接受这个假说而不做出大的修改。除了这颗行星持续变化的外观可以作为其外面包围着一层大气的证据，我们还有一个来自自转规律的证据。我们发现木星和太阳有一个相似之处，其赤道位置的自转周期比中纬度以北地区的自转周期短，尽管前者的自转路线比后者更长。这可能是气态天体普遍的自转规律。据此，木星似乎在物理构成上与太阳有几分相似，这个观点与在望远镜中看到的木星外观非常吻合。目前所掌握的赤道和中纬度地区的自转周期大约相差5分钟。也就是说，赤道地区的自转周期是9小时50分钟，中纬度地区的自转周期就是9小时55分钟。这相当于二者之间的运动速度大约相差每小时200英里，表面构成若为液体似乎不可能出现这种差别。
认为这颗行星自身发光的观点似乎受到了否定，因为卫星进入其阴影后便完全消失了。由此我们可以非常确定地说，木星发出的光不足以使我们看到卫星。我们很难认为卫星从行星获得的1%的光线和从太阳获得的1%的光线一样多。我们还发现，木星散发的光线比从太阳获得的光线还要少一点。也就是说，假设木星不比地球表面上的白色物体更亮，那么其发出的所有光线就数量而言可能都是反射的光线。不过仍然留有一个疑问：既然白点有时比木星的其他地方都要亮，那么其发出的光是否比照射在其上的光多？这也是科学研究仍然没有涉足的一个问题。
有一个假说似乎可以很好地解释所有问题：木星有一个固体内核，密度可能和地球或者其他任何固体行星的密度一样大，而其整体平均密度较小缘于包围这个固体内核的大气。
木星的卫星
当伽利略第一次把他的小望远镜对准木星时，他欣喜而惊讶地发现木星有4颗很小的星星相伴。经过无数个夜晚的仔细观察，他发现这4颗小星星围绕中心天体公转，就像行星围绕太阳公转一样，不过这个发现在当时还没有被完全接受。这个与太阳系惊人相似的发现是对哥白尼学说的有利佐证。
这几个小星星用普通的小望远镜甚至不错的观剧望远镜就能看到。甚至有人认为，视力好的话有时不用借助光学设备也能看到。可以肯定这4颗星如同最小的恒星一样明亮，用肉眼就能看到，可是木星的光芒似乎成为观测难以克服的障碍，即使对敏锐的视力也是如此。这4颗卫星的名字分别是爱莪（Io）、欧罗巴（Europa）、盖尼米得（Ganymede）、卡利斯托（Callisto），但是人们习惯用它们离木星远近的顺序来称呼它们。木卫二比月球小一点，木卫一则比月球大一点。木卫三和木卫四的直径大约是3 200英里，比月球大50%。这是全太阳系最大的卫星，比水星的个头还大。但是它们离太阳很远，大概是日月距离的5倍，所以它们几个加起来的亮度还不如月光的1/3强。就像月球一直拿一面对着地球似的，这几颗卫星也一直拿同一面对着木星，也就是说，它们的自转周期和公转周期是一样的。
至1892年，已知的木星的卫星只有4颗；随后巴纳德用巨大的里克望远镜发现了第五颗，比另外4颗距离木星更近。这颗卫星的公转周期不到12小时，周期之短在已知的情况中仅次于离火星最近的那颗卫星。不过它的自转周期比木星的稍微长一点。它外侧的那颗卫星，也就是之前发现的4颗卫星中最里面的那一颗仍然叫作木卫一，公转周期大约是1天零18.5小时，最外面那颗几乎要17天才能完成一周公转。
1904年、1907年，佩林（Perrine）在里克天文台观测到木星的第六、第七颗卫星。它们距离木星差不多远，平均是700万英里，公转周期8~9个月。很快，另外两颗更远一点的卫星被发现，至此一共发现了9颗卫星。木卫八发现于1908年，是梅洛特（Melotte）在格林尼治天文台观测到的。木卫九发现于1914年，由尼科尔森（Nicholson）在里克天文台观测到。它们距离木星大概1.5千万~2千万英里，公转一周需要2年多。它们有两个独特的地方：在太阳系的所有卫星中，它们是离自己的主星最远的；此外，它们自东向西旋转。
和位置靠内的卫星相比，4颗靠外的卫星轨道的偏心率更大，它们个头都比较小，直径大约100英里甚至更小，所以只有使用大望远镜才能观测到它们。有人猜测，外侧卫星和内侧卫星形成原因不同。有一种假说认为，外侧的卫星是被木星的引力捕捉到的小行星。
这些卫星在围绕木星公转的过程中出现了许多有趣的现象，用大小适中的望远镜就可以观测到。这里所说的是卫星的“食”和“凌”。木星像其他不透明的物体一样会投下影子，卫星围绕木星公转过程中，在经过木星背面那一段时几乎永远要在木星的阴影里。木卫四和大多数距离远的卫星有时例外，可能从阴影的上边或者下边经过，如同月亮从地球阴影的上方或下方经过一样。卫星进入阴影后逐渐暗淡，最后完全从视线中消失。
同理，当卫星经过木星正面这一段时从木星的视圆面逐渐穿过。一般的规律是：当卫星刚刚进入木星视圆面时看起来比木星更亮，因为木星的边缘较暗；当卫星接近视圆面中心时看起来则比背景中的木星更暗。当然，这一现象不是因为卫星亮度的变化，而是因为木星中心区域比边缘更加明亮，这个问题已经讲过。
不过更加有趣的是卫星的影子，当卫星经过木星视圆面时，常常可以在木星上看到卫星的影子像一个黑点在卫星旁边一道运动。
木星卫星的各种现象，包括它们和它们的影子的“凌”，在天文星历中都有预测，因此观测者永远能够知晓何时观看食或者凌。
最早发现的4颗卫星中最里圈的那颗卫星的食不到两天发生一次。根据这个规律，一个在地球上未知地区的观测者可以判断自己所处的纬度。这个观测者首先要通过某种简单的天文观测判断自己的手表与当地时间的误差，这对于天文学家和航海者来说并不难。接着他要记下卫星发生食的时候当地是什么时刻，比较这个当地时间和星历中预测的时间，根据在《时间与经度的关系》一节中所讲的理论就可以得出他所处的经度。
这个方法的主要缺点是不够精确。用这种观测方法得出的食的发生时间与实际的误差在一分钟左右。在赤道上，经度上的误差将达15英里。在两极地区，这个误差的影响较小，因此，这个方法对极地探险者更有价值。
