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2019-07-16木衛們的共振,唱著的是什麼歌? 590 期

Author 作者 文詠萱/自由工作者,主要工作項目為科普寫作還有音效設計。大學學的是宇宙中的星星,每天把星星掛在嘴上,也是蠻浪漫的。


圖一:圍繞在木星周圍的伽利略衛星,由左而右分別是木衛一、二、三、四。(Image credit: NASA/JPL/DLR)

木星擁有全太陽系最大的天然衛星群,這些屬於木星的「月亮」雖然擁有相當平等的學術簡稱,卻分別以順時針、逆時針等不同的方向繞著木星轉,甚至在質量、大小等特性上也有很大的差別。時至今日,人類對木星(與它周圍的好夥伴們)究竟有多少了解?本文就從科學哲學正值興盛的16世紀開始說起。

朱比特的情人們著名科學家伽利略(Galileo Galilei)曾拿著望遠鏡探索星空世界,唯當時的望遠鏡倍率很低,但伽利略用了改良倍率的望遠鏡後,終於看到木星附近幾顆正圍繞在木星周圍旋轉的衛星,即是現今我們所說的木衛一、木衛二、木衛三及木衛四,統稱為「伽利略衛星(Galilean moons)」。其實一開始伽利略只看到其中的3顆,剩下的1顆是在數個月後才看到;但有人認為,伽利略並不是第一個看到這些衛星的人,中國天文學家早在伽利略發現木衛一到四的2000年前就已發現木衛三。伽利略衛星有著順行軌道,且軌道傾角與離心力較小,因此被歸類為規則衛星(regular moon),而木星的規則衛星除了伽利略衛星之外,還包含距離木星更近的數顆衛星。

星星們不僅擁有複雜又學究的名稱,人們也為其取了相當浪漫的別名,而這些命名邏輯其實也有跡可循,衛星的命名故事得從16世紀德國天文學家馬里烏斯(Simon Marius)說起。1610年,馬里烏斯和伽利略幾乎同時提出他們發現了這4顆木星衛星,伽利略曾多次指控馬里烏斯剽竊他的發現,但也不能排除2人是同時觀測到這幾顆星星的。彼時,馬里烏斯用古羅馬神話中眾神之王的名彙──朱比特(Jupiter,亦是木星的名字)4 位喜愛的人為木衛一到四命名,分別為埃歐(IO)、歐羅巴(Europa)、蓋尼米德(Ganymede)及卡利斯多(Callisto),直到1975 年國際天文聯合會(International Astronomical Union, IAU)發布木星衛星命名規則,往後觀察到的木星衛星便都以朱比特的情人或喜歡的人命名,如果名字被使用得差不多,則再以這些人於故事中的後代起名。

 
圖二:《木星世界》(Mundus iovialis)一書中馬里烏斯的畫像。(Wikimedia)


圖三:埃歐表面充滿火山地貌,此為當地庫蘭火山口(Culann Patera)噴發。(NASA∕JPL∕University of Arizona)


圖四:由哈伯望遠鏡拍攝到的木星極光,伴隨著埃歐、蓋尼米德與卡利斯特的發光足跡。(NASA∕ESA, John Clarke)

 

被衛星影響的極光

有趣的是,木星身邊的這些「親信」就如同人類社會間的互動,會對木星本身無論內外在產生一定程度的影響。比如說,木星的磁場除了受太陽風左右,也會被主要的衛星影響,在這之前要先說說埃歐。埃歐的表面和其他3顆伽利略衛星不同,他的表面覆蓋了大量的活火山及火山地貌,導致表面型態不停地改變,且約含有200多個火山口;因著火山噴出各種硫的同素異形體以及其他硫化物等化學成分,埃歐的表面呈現出不同的顏色,使得望遠鏡或探測器經過時,都能拍下色彩繽紛的照片。

回到木星磁場這個話題。木星兩極極光常駐,其所在範圍甚至比地球的還要大。地球的極光是來自磁層、太陽風的帶電高能粒子與大氣中的原子所碰撞出來的產物,木星上的極光卻與先前提到的埃歐火山噴發有關。埃歐的火山噴發物主要為二氧化硫、鈉與氫氣等氣體,伴隨而生的硫跟氧的離子散佈在木衛一附近,形成埃歐電漿環,最終對木星磁層產生影響,甚至會和極光進行交互作用。

 

木星衛星的表面與裡面

木星與衛星間的關係可說是環環相扣,如同木星本身, 這4顆衛星相較其它行星的衛星來說也大上許多,其中蓋尼米德是太陽系中最大的衛星,它的半徑大於水星,但質量卻小於水星。蓋尼米德的地表類似月球,有暗區與亮區;但與月球不同的是,它的暗區主要是古老的隕石坑,而亮區則是由年輕的山谷形成(月球亮區為較古老的隕石坑), 這與表面組成有關,因為月球是由岩石覆蓋,蓋尼米德上頭則是一層冰體。

埃歐、歐羅巴及蓋尼米德的軌道運行呈共振狀態(resonance state),蓋尼米德每公轉1周,歐羅巴即公轉2周、埃歐則公轉4周。1989年由NASA 發射的伽利略號探測器(Galileo)於1995年12月初左右接近木星,並6次飛掠蓋尼米德衛星,發現到它竟也擁有自己的磁場,並在後來的幾次飛掠後經資料分析,推測其擁有地下海洋(圖五),而蓋尼米德是太陽系中目前已知唯一有磁圈的衛星。
 

圖五:經伽利略號探測器獲取的資料分析,蓋尼米德可能有地下海洋,此為其可能的結構。

伽利略衛星中最小的一顆則是歐羅巴,其主要由岩石物質組成,僅含有10%的冰,內部如地球一般有密度較高的物質,其表面光滑,撞擊坑少,是太陽系中最光滑的星體,而其光滑的表面顯示歐羅巴表面地質相當年輕。此外,它的表面充滿縱橫交錯的暗色條紋,這代表其地表有板塊橫移現象,如同地球上的海脊。而透過伽利略探測器經過時搜集的資料發現,歐羅巴能在木星磁場下產生些微磁場,除了證實其內部有鐵核外,還推測在其冰層下有著鹹水海洋。

至於伽利略衛星中的卡利斯多,大小為木星衛星群第二大的衛星,表面的地質年紀十分古老,隕石坑累累、隕擊嚴重,幾乎達到飽和。而因其表面較少年輕隕石坑,缺少板塊運動的證據。


探索木星衛星

對於歐羅巴目前的照片多是由先鋒者(Pioneer)10與11號,於1973~1974年飛掠木星及其衛星群,及航海家(Voyager)1號及2號於1979年飛過時拍攝。而在1995~2003年,伽利略號多次飛過木星周圍時,近距離的搜集資料,提供更細微的木星及木星衛星表面細節。

科學家曾針對探索歐羅巴、蓋尼米德和卡利斯多探索提出木星冰月軌道器(Jupiter Icy Moons Orbiter)計畫,但因資金問題於2005年取消。雖此計劃被取消,但有許多探索木星衛星的計畫被提出,如2015年歐洲太空總署發布一項木星衛星探測計畫,預定於2022年發射木星冰月探測器(JUICE),針對蓋尼米德進行生命存在可能性評估,並探測海洋層特徵、研究冰殼特性等。

 

圖六:埃歐、歐羅巴與蓋尼米德繞木星公轉角速度比例為4:2:1。(Wikimedia)



圖七:SYSTEM Sounds 上按共振比例求出各衛星的相對音程。
 

會唱歌的4顆星星

在介紹過木星4個衛星相互的一些關係後,要來說說剛剛提到的埃歐、歐羅巴與蓋尼米德軌道成共振旋轉,比例為4:2:1,而卡利斯多也與這3顆星體有和諧的旋轉模式,即是與蓋尼米德成12:5的共振關係,也就是說蓋尼米德轉12圈,卡利斯多剛好轉5圈。

現在把這些衛星轉的速度加速,當超過20赫茲(Hz)(人耳可以聽到的最低頻率),轉換成音高時,這4個天體會因為是和諧頻率共振,而疊出和諧的音程。由於埃歐、歐羅巴、蓋尼米德3顆天體的共振比例是4:2:1,因此剛好是在3個不同八度音演奏同一個音符,而木衛三與木衛四接近一個八度再加一個小三度。名為SYSTEM Sounds 的網站(https://bit.ly/2SLmbud),有將木星這4 顆衛星的共振做成互動影片,可在網路上控制衛星旋轉的速度,聽聽木星的音樂。

其實不只有木星這4 顆衛星有和諧的現象,宇宙中也有許多天體以共振軌道運行,而太陽系就是一個大尺度的和諧共振系統。關於這一點,克卜勒(Johannes Kepler)在1619 年出版的《世界的和諧》(Harmonices Mundi)〔註一〕中,便說明了太陽系的音程比例,克卜勒當時在火星與木星之間發現了例外,兩者之間形成了不和諧比例,而這個不和諧的原因即是「小行星帶(asteroid belt)」所造成的,只是小行星帶在克卜勒過世之後才被發現。

科學家極力探索宇宙,想了解這美麗宇宙的樣貌與規律。木星衛星除了伽利略衛星外,外圍還有許多顆衛星等待科學家探索,期待未來能揭開更多木星衛星的面紗。

〔註一〕《世界的和諧》一書出版至今恰好400周年,也是克卜勒第三定律的400周年。根據瓦利斯(Charles Glenin Wallis)1939年英譯本卷尾指出,這部著作完成於1618年5月17~27日;但第五卷又於1619年2月9~19日在印刷過程中進行了修訂。