2016年7月4日，朱諾號探測器成功進入木星軌道。轉眼一年半過去，朱諾號已於今年6月結束第一階段共計12個週期的探測，開始拓展任務。
2018年3月8日，《自然》雜誌一次發表了四篇論文[1-4]，介紹了朱諾號前6個週期的探測向我們揭開了木星的哪些神秘面紗。
1、南北極氣旋：絢麗奪目，疑團重重 [1]
為了能夠既儘量近距離地對木星進行觀測，又最大限度避開木星的高輻射帶對探測器的損害，朱諾號選擇了沿著木星南北向的軌道飛行（這被稱為“ 極到極軌道 ”）。這樣的軌道允許朱諾號能夠正面觀測木星的南北極，這是之前的旅行者號和伽利略號都沒有做到的。
不過即使朱諾號可以對木星南北極進行正面拍攝，可見光影像中還是一次只能拍到半個南/北極，這是由於木星的自轉軸傾角只有3°，所以木星的極區始終是幾乎一半是白天一半是晚上所導致的。這裡告訴大家一個小技巧，如果你看到一張完整的木星極區可見光影像，那麼這一定是多張影像拼接而成的，因為單次拍攝出來的一定有一半是黑的（陽光無法照射到），比如朱諾號的JunoCam相機拍攝的單張極區可見光影像長這樣：
朱諾號於2018年2月7日拍攝的木星南極的一系列可見光影像，都只有半個極區可見。注意隨著時間變化影像中朱諾號微小的變化其實體現的是朱諾號自身軌道的變化。來源：NASA
朱諾號每個探測週期長達53天，相當於每53天就最近飛掠木星一次，我們以每次最接近木星（Perijove ，簡稱PJ）的時間來標記每個週期。
朱諾號的JunoCam相機在前三個週期（PJ1-PJ3）的探測中就已經發現木星的南北極有大量看似非常凌亂的小型氣旋（大小在200-140 km之間）[5]。但這次加入了用於拍攝極光的近紅外成像光譜儀JIRAM獲取的近紅外影像後，科學家們驚訝地發現木星南北極的氣旋也是“亂中有序”的，有著穩定的分佈：
北極：八個極區氣旋環繞著一個極點氣旋，直徑在4000 - 4600 km之間；
南極：五個極區氣旋環繞著一個極點氣旋，直徑在5600 - 7000 km之間。
這樣壯觀的八角星和五角星氣旋分佈目前為止尚未在其他天體上觀測到過。
圖：木星北極和南極區域可見光波段下的氣旋分佈，右列是4週期的拼接影像。注意由於地轉偏向力（科氏力）的影響，幾個大型的都是氣旋結構（北半球逆時針，南半球順時針），不過也有一些小型反氣旋（北半球順時針，南半球逆時針）夾雜其間 [1]
近紅外波段下的影像中更顯著，簡直亮瞎眼。
圖：木星北極（上）和南極（下）區域近紅外波段下的氣旋分佈。顏色越深表示溫度越低（雲越多）。來源：NASA
放大看一下南北極氣旋的高清局部，南極點氣旋的中心非常奇特，其他氣旋中心都是圓的，但南極點這個氣旋的中心是一個眼睛的形狀，可以說是有點嚇人了……
圖：木星北極（左，分辨率18 km/像素）和南極（右，分辨率25km/像素）的JIRAM近紅外影像，是JIRAM在PJ4階段分辨率最高的影像，圖中已經可見一些小型反氣旋結構。右圖藍框中就是這次發現的“南極之眼”[1]
這是人類首次清楚地看到木星南北極的大氣結構，但這些氣旋的成因和維持方式還完全是個謎。比如，不管是北極的八角形分佈還是南極的五角形分佈，這些氣旋不僅自身的相對位置非常穩定，而且作為一個整體的移動都是非常緩慢的，這是為什麼？再比如，構成八角形和五角形的這些氣旋為什麼沒有合併？要知道，太陽系的另一顆氣態巨行星——土星的南北極點都只有一個大渦旋而已。當然，這些變化只是朱諾號在2-3個週期（每個週期53天）內觀測到的，100多天對於一個天體上的變化來說還是太短暫了，或許這些氣旋正在慢慢合併，只是時間尺度太大，難以被人類觀測到也是可能的。無論如何，這些都等待著科學家們的進一步解譯。
土星北極和南極的氣旋。來源：NASA
2、重力場：南北不對稱性體現大氣動態變化 [2]
南北極氣旋雖然炫目，但這次最大的科學發現還是來自於重力場探測。重力分佈反映了一個天體內部質量和密度分佈，因此我們可以通過對重力信號的分析來推測一個天體的內部結構。木星的重力場是朱諾號探測器最重要的探測目標之一。
木星的固態內核是否存在？有多大？每一層有多深？每一層的轉動速度是否一致？科學家們希望朱諾號可以給出答案。
朱諾號是如何探測木星重力場的？
通過測量朱諾號飛越木星過程中無線電信號（X波段和Ka波段）的多普勒頻移，可以獲取探測器的理論軌道和實際軌道的差異，這個差異就是實際重力場和理論重力場的差異引起的，通過這個差異來不斷修正原有的重力場，可以獲得更精準的重力場模型。
朱諾號的極軌和近木點飛掠使得多普勒跟蹤信號對重力場的變化更加敏感，得到的重力信號的也越精確。
左：多普勒頻移探測重力場的原理示意圖；右：朱諾號之前人們認為的木星內部結構示意圖。來源：NASA
那麼這種“更精確”是如何體現的呢？
我們通常把把重力信號分解為多個信號的和，展開的項數越多（分解成的子信號數目越多），這些子信號綜合起來表達的結果就越接近真實的重力信號，我們把這些子信號的“編號”稱為“階數”，階數Jn越高（子信號越多），對重力場的還原就越精確。
不同類型的子信號（也就是不同階的J）還可以分別用來反映天體內部的不同特徵，例如奇數項Jn可以用來反映天體內部分非對稱性的物質分佈（如大氣等流動性部分的深度），而偶數項Jn可以用來反映天體內部對稱性的物質分佈（如剛體部分的自轉和深度）。接下來兩篇文章就是分別利用了這兩個部分的重力信號，可以說是很會物盡其用了。
最新的重力場結果顯示，木星的重力擾動表現出了顯著的南北（緯度）差異。如果一個天體內部沒有不規則的動態變化，它的重力場應當是南北半球對稱的（也應該是軸對稱的），因此這次朱諾號重力數據顯示出的不對稱性應當來自木星大氣層和內部風的流動。
不僅如此，去掉了偶數項部分後的木星重力加速度擾動的的經向分佈與風速梯度的經向分佈顯示出了強相關性，兩者的最大峰值都位於緯度24°附近（看下面兩張圖是不是特別像？）。科學家們推測，這是木星中低緯深淺相間的條帶和急流（jet stream）運動的結果，因此通過這些重力數據，可以反過來估算這些條帶的深度，這就是下面一篇文章的主要內容了。
左：去掉了偶數階部分的木星重力加速度擾動與緯度的關係，mGal是重力加速度的單位，1 mGal = 10^(-5) m/s2 ；右：風速的梯度與緯度的關係。兩者的形狀明顯非常相似，且最大峰值都位於緯度24°附近 [1]
3、中低緯條帶：你以為我很“膚淺”，其實我有3000 km深！[3]
木星中低緯區域最典型的特徵是深淺交替的彩色條帶（以及大紅斑），不過這種深淺交替的條帶結構並不是木星獨有，外太陽系四顆大行星都有。
通常我們把深褐色的條帶叫做帶（belt）而把淺色條帶叫做區（zone），深淺兩種條帶的運動方向和速度還不一樣。深淺條帶的邊緣穿梭著東西方向飛馳的急流（jet stream）。
圖：木星表面的深淺條帶（帶和區）。急流分佈在深淺條帶的邊緣。來源：NASA
大氣層和內部風這樣的的不對稱運動主要體現在重力場的奇數項信號中。朱諾號的重力場J3、J5、J7和J9項數據的進行的進一步計算顯示：
雖然這些深淺條帶看起來似乎是“漂浮”在木星表面上的薄薄一圈，但它們實際上非常深，像一條條的管道一樣深深埋進木星大氣層中，條帶之間的急流最深可能深達雲層（我們把木星大氣壓1 bar處定義為雲層頂部）之下近3000 km。
不過雖然這麼深，但這層“靈動飄逸”的大氣層質量最多隻佔了木星總質量的1%（其實也不少了，3個地球那麼重啊）。
↓ 視頻體會一下這些“管道”的示（假）意（想）圖
來源：NASA。翻譯：haibaraemily。壓制：尞祡。
4、木星的內部：綿軟的外核，但保持剛體狀態緩慢自轉 [4]
上一節說到重力場的奇數項信號可以反映大氣和風的運動，而重力場的偶數項信號則可以反映天體內部更深層的結構。
木星最內部到底有沒有固態內核？科學家們一直爭議不下。過去一些研究認為木星很可能有一個小而緻密的內核（冰石混合物）甚至沒有固態內核 [6]。另一方面，木星內部和外層大氣層（條帶結構和風）的自轉速度相同嗎？直到這次之前都不確定。
重力場的低階偶數項數據可以有力地約束和反映的天體的內部結構（比如內核的大小和內部自轉），朱諾號前三個週期的重力場探測結果（僅用到J6項）表明，木星小而緻密的內核外層可能有一個比過去預想要大得多的外核，兩者一共延伸了約0.3-0.5個木星半徑，但這個外核很可能不是緊緻的固態，而是重元素與金屬氫（富含氦）融合在一起的一種“軟糯而稀釋”的混合狀態，這被稱為“稀釋的核”(dilute core) [7] 。
圖：朱諾號重力數據推測的木星內部結構，整個木星核部分延伸了約0.3-0.5個木星半徑[7]
而這一次，加入了J8和J10項後的重力場數據（也就是J2、J4、J6、J8和J10一起）更好地約束了木星的內部結構和自轉。結果依然表明木星內核確實很可能有一層稀釋的混合層。風層以下的內部（內核、金屬氫層、液態氫層等）都以近乎剛體的形式在自轉，速度比外層大氣慢多了——至少低了一個量級 。
計算結果還表明，流動的外層和近乎剛體的內部的分界在約2000-3500 km，相當於以另一套獨立的觀測驗證了上一節提到的奇數項重力場對外層急流深度的估算。
這一分界也對應著電導率的大幅增加，因此推測木星內部這種近似剛體的狀態可能是木星內部的磁拖曳造成的。
另一方面，考慮到氣態大天體的導電率主要依賴於天體質量，所以文章推測對於質量只有木星三分之一的土星，想要達到相同的電導率，其分界應當至少三倍深於木星（也就是約9000 km），而比木星更重的氣態巨行星和以及褐矮星這一分界所在的位置應當淺於木星。
結語：星辰大海，拭目以待
雖然前6個觀測週期已經給我們帶來了無盡的欣喜和驚訝，但對朱諾號來說，精彩還在繼續。
也就是說即使沒有拓展任務，也還有一半的數據等著科學家們去處理和解譯。
圖：朱諾號PJ7-PJ12的日程。來源：NASA
不過由於朱諾號目前為止運轉良好，傳回的科學數據始終質量很高，科學家們已經讓朱諾號在今年7月繼續開始下一輪拓展任務[8]。
遙遠、神秘而氣象磅礴的木星，接下來還會有哪些振奮人心的新發現？
讓我們拭目以待。
圖：木星雲層之上。這張圖拍攝於2017年12月16日，中心位置大約在木星北緯49.9度，分辨率9.3 km/像素。因為角度不是對著北極點正上方，所以圖中沒有明顯的晨昏線交界（但右上角可以隱約看到一點暗色的陰影）。來源：NASA
最後，防止你們看暈了再上個提綱~ 太長不看版↓
致謝
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參考
[1] Adriani, A. et al. (2018). Clusters of cyclones encircling Jupiter’s poles. Nature 555, 216–219.
[2] Kaspi, Y. et al. (2018). Jupiter’s atmospheric jet streams extend thousands of kilometres deep. Nature 555, 223–226.
[3] Iess, L. et al. (2018). Measurement of Jupiter’s asymmetric gravity field. Nature 555, 220–222.
[4] Guillot, T. et al. (2018). A suppression of differential rotation in Jupiter’s deep interior. Nature 555, 227–230.
[5] Bolton, S. J., Adriani, A., Adumitroaie, V., Allison, M., Anderson, J., Atreya, S., ... & Folkner, W. (2017). Jupiter’s interior and deep atmosphere: The initial pole-to-pole passes with the Juno spacecraft. Science, 356(6340), 821-825.
[6] Guillot, T., Gautier, D., & Hubbard, W. B. (1997). New constraints on the composition of Jupiter from Galileo measurements and interior models. Icarus, 130(2), 534-539.
[7] Wahl, S. M., Hubbard, W. B., Militzer, B., Guillot, T., Miguel, Y., Movshovitz, N., ... & Levin, S. (2017). Comparing Jupiter interior structure models to Juno gravity measurements and the role of a dilute core. Geophysical Research Letters, 44, doi:10.1002/2017GL073160.
[8] https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-juno-mission-to-remain-in-current-orbit-at-jupiter
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