为什么木星的光环看起来不像土星？

7月初，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）发布了第一张壮观的图像后不久，美国宇航局将该望远镜的调试数据上传到其在线档案中。这些数据显示了天文台跟踪目标的能力-包括太阳系中的行星和小行星-并分离它们的反射光，以提供有关其化学成分的详细信息。

这些图像中有一些令人惊叹的木星照片，由JWST的NIRCam通过几个红外滤光片拍摄。可见的特征包括木星浓密、动荡的云带和其标志性的大红斑，这是一个大约地球大小的永久风暴。但是，这个家庭中还有一些额外的成员，他们拍摄了美丽的照片：卫星欧罗巴、提比和梅蒂斯，以及一些行星的薄而微弱的环。

JWST 的 NIRCam 使用其 2.12 微米滤光片（左）和 3.23 微米滤光片（右）拍摄了这两张木星调试图像

事实上，太空望远镜科学研究所的NIRCam仪器科学家约翰·斯坦斯贝里在美国宇航局的一篇博客中说，这些光环在如此短的一分钟曝光时间内出现“绝对是一个非常令人惊喜的惊喜”。戈达德太空飞行中心的斯蒂芬妮·米拉姆（Stefanie Milam）是JWST行星科学副项目科学家，她补充说，他们的存在“绝对令人惊讶和惊奇”

丢失环的情况

尽管人类自古以来就知道木星，而且很容易用后院的望远镜进行详细观察，但科学家直到1979年旅行者1号（Voyager 1）飞过时才发现它有环。这是因为，与土星不同的是，木星的光环是薄而模糊的结构，从地球上很难看到。

我们现在知道所有的外行星都有环。但是木星比土星大，为什么朱庇特没有更大、更明亮的光环来匹配呢？有没有可能木星曾经有过惊人的光环，并最终失去了它们？

斯蒂芬凯恩创造了这张木星的模拟图像，沿着土星的线有一个更大的环系统

这正是加州大学河滨分校的天文学家斯蒂芬·凯恩和李哲星在最近一篇论文中提出的问题，该论文已被《行星科学杂志》接受发表。毕竟，作为太阳系中质量最大的行星，他们在论文中指出，木星的历史必定充满了碰撞、捕获和其他类似事件，这些事件可能为更大的环提供丰富的物质。

为了解开木星黯淡无光的环系之谜，两人转向计算机模拟，以研究行星系统在100万到1000万年期间的行为。在这段时间里，他们研究了形成环的冰物质的可用性和轨道稳定性，从本质上考察了明亮的环可能形成、粘住或被破坏的程度。特别是，他们研究了木星的四颗最大卫星——木卫一——欧罗巴、伽利略卫星、木卫四和木卫三——如何影响水冰环的形成或寿命。

“我们发现木星的伽利略卫星，其中之一是我们太阳系中最大的卫星，会很快摧毁任何可能形成的大环，”凯恩在新闻稿中谈到他们的模拟结果时说。在某种程度上，这是因为大质量的卫星可以破坏冰粒子的轨道，将它们从系统中排出，或者将粒子扫到与月球碰撞的轨道上，而不是像环一样绕轨道运行。凯恩说，最终，“大质量的行星形成了大质量的卫星，这阻止了它们形成巨大的环。”

这也符合现实-毕竟，土星环之所以明亮，是因为它们大部分由冰构成，而且可能仍然存在（取决于年龄），因为研究人员认为它们不断地被嵌入其中的许多小而冰的卫星补充。相比之下，木星暗淡而薄的光环主要是由尘埃构成的，这些尘埃很可能来自于它的几个小卫星。

因此，即使木星过去成功地建立了令人印象深刻的冰环，它们也不会持续很长时间。它现在的环，虽然很小，但很可能很年轻——不到1000万年。相比之下，土星似乎处于一个“甜蜜点”，因为它有能力在更长的时间内建立和维持一个巨大的、令人惊叹的光环系统。

延伸到系外行星

但凯恩和李的研究告诉我们更多，他们说。在太阳系之外，两人还考虑了他们的发现对系外行星及其环的意义。毕竟，光环不仅仅是表面的装饰-它们还讲述了行星的动态历史以及其环境的故事。如果形成或维持巨大的、易于发现的冰环是困难的，那么找到它们告诉我们一些有价值的东西，这些行星能够承载这样的奇观。环系统可以揭示诸如行星年龄或关于必须存在（或不存在）何种卫星的详细信息，以及该行星太阳系中冰彗星或小行星等物质的类型或可用性。

随着天文学家继续建立我们已知系外行星的目录，并将JWST指向它们以了解更多信息，这些世界所揭示的细节-包括它们的环-将为恒星及其行星如何随时间形成和演化提供大量有价值的见解。