【天文科普】太陽系火山最劇烈的天體,二氧化硫大量噴出,毒化了大氣層

在地球上,隨著板塊運動不斷進行,形成了火山這種地貌。在地殼最薄弱的地方,就會有滾燙的巖漿噴薄而出,給地球生物帶來巨大的災難。

火山的確很恐怖,但是我們也應該慶幸自己生活在地球上,而不是木衛一上。作為太陽系火山活動最劇烈的星球,木衛一上的每一天,都是在提心吊膽中度過的。

在這顆直徑3642公里的衛星上,星羅棋布地分布著超過400座活火山。和地球火山產生于板塊運動不同,木衛一的火山來自于潮汐力。在受到木星引力的同時,它還承受著其他三顆巨大衛星的引力牽制,這就導致內部的物質不斷翻騰、摩擦,保持著高溫的同時也具備著很大的能量,最終有一部分以火山的形式將能量釋放出去。

在噴射巖漿的同時,木衛一的火山還會噴發出大量的二氧化硫。它們以氣態的形式噴射出來,但是在夜間的低溫下凍結成固態,覆蓋在衛星的表面。因此,我們看到的木衛一,總是呈現出像人生病一樣的蠟黃色。

那麼問題來了:木衛一大氣中的二氧化硫,到底有多少來自于火山、又有多少來自于表面的固態二氧化硫在受熱升華后回到大氣中的呢?對于這個問題,科學家們一直沒有準確的答案。

加州大學伯克利分校的天文學家Imke de Pater介紹這個問題時說:「到底是哪個過程驅動著木衛一大氣的變化,仍然是個未知數。到底是火山運動,還是當木衛一沐浴在陽光下時從表面的冰升華的氣體呢?」

雖然數百個火山輪番將二氧化硫等氣體釋放出來,但是木衛一表面的大氣仍然是非常稀薄的,氣壓只有地球的十億分之一。其中很大一部分原因,是在于木星。研究表明,木衛一上大量的氣體都在木星的作用下逃逸,幾乎每秒就能逃逸出1噸的氣體,在木衛一和木星之間形成一個環形結構,這被稱為木衛一等離子體環流。

殘留下的氣體雖然不多,但仍然可以給我們提供大量的信息。通過對這些氣體的研究,科學家可以推測出木衛一可能的內部結構地質過程,甚至可以幫助我們了解系外行星的類似過程。另外,宇宙中還有其他天體也像木衛一這樣承受著引力的拉鋸戰,但是卻并沒有產生相同的效果,這其中的原因,也需要我們對木衛一大氣的機制有徹底的了解才可以。

為了破解這些謎題,天文學家們利用位于智利的阿塔卡馬大毫米/亞毫米波陣列(ALMA),在射電波段對木衛一進行了觀測,利用它進入和離開木星陰影(也就是木衛一的傍晚和黎明)過程中的特征,來分析他們好奇已久的問題。

他們首先發現,在木衛一進入黑夜后,溫度就會降低到二氧化硫的冰點以下,導致其全部凝結,封存在了地表。

當木衛一重新迎來白晝的時候,被冷凍的二氧化硫就會升華到大氣層中。令他們驚訝的是,這個過程僅僅需要10分鐘,比預期要快得多。而這個神奇的現象,正是研究木衛一火山對大氣層影響的重要工具。

哥倫比亞大學的天文學家Statia Luszcz-Cook介紹說:「當木衛一進入到木星的陰影中,脫離了陽光的直接照射后,溫度對于二氧化硫來說就太低了,是它凝結在了木衛一表面。在這段時間內,我們只能看見來自于火山的二氧化硫。」隨著空氣中的二氧化硫全部凝結,這段期間木衛一大氣中再出現這種物質,就一定來自于火山噴發,這就是研究火山對木衛一二氧化硫貢獻的絕佳機會。

憑借ALMA的強大觀測能力,研究團隊首次清晰地分辨出了木衛一上的二氧化硫和一氧化硫的羽流。他們證明:火山釋放的二氧化硫的確在木衛一大氣中扮演著重要的角色。根據這些圖像,他們推測:木衛一大氣中的二氧化硫,大約有30%-50%是來自于火山。誠然,這并沒有占到絕大多數,但是對于火山來說,這個數據也是相當驚人了。

同時,在沒有二氧化硫和一氧化硫的區域,研究人員還發現了另一種物質,那就是火山噴發物中的氯化鉀。這表明,木衛一地下的巖漿系統并不是完全相連的,否則它們應該噴射出相似的物質。這暗示我們,木衛一的表面之下比我們想象的要更加復雜一些。

下一步,研究團隊準備對木衛一表面的溫度進行測量,這對于進一步縮小火山噴發出的二氧化硫所占的比例范圍將會有很大幫助。這個工作并不簡單,尤其是對于木衛一的低海拔地區進行了溫度測量,但是研究團隊認為,他們還是能夠做到的。

de Pater介紹說:「想要檢測到木衛一的氣溫,我們就要有更高的分辨率,這就要求我們對這顆衛星觀測的時間要加長。我們只能在木衛一處于陽光下的時候進行觀測,因為它處于陰影中的時間并不長。在這樣的觀測過程中,木衛一會有10°的公轉角度。我們需要利用軟件來制作出不被遮擋的圖像,這一點我們此前在利用ALMA和甚大望遠鏡拍攝木星射電圖像的時候已經做到過了。」

作為太陽系火山最活躍的天體,木衛一的內部結構一直是科學家最好奇的問題之一。這是我們對地球內部結構了解的一種補充,只有了解了多種巖石星球的結構,才能說我們真的了解地球的所有內部機制。有些在地球上不能解決的問題,我們只能求諸太陽系其他天體,甚至是更遙遠的系外行星。也許在最遙遠的地方,反而蘊藏著最近的秘密。

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