本文來自微信公眾號：上海天文館，編輯：大頭，作者：溫潤

在宇宙中為星球測量尺寸絕非易事。近期《自然·天文學(xué)》發(fā)表的一項研究帶來了木星體型的新發(fā)現(xiàn)：我們長期公認(rèn)的木星大小，其實(shí)比實(shí)際偏大。

依據(jù)朱諾號（Juno）探測器公布的最新數(shù)據(jù)，木星的實(shí)際輪廓比過去50年認(rèn)知的小了一圈——赤道直徑減少約8公里，兩極直徑縮減約24公里。讓我們一同探究木星形狀的測量方法。

為木星劃定“表面線”

測量木星形狀的最大難點(diǎn)在于，它是一顆沒有明確“表面”的星球。作為氣態(tài)巨行星，木星外層包裹著濃厚大氣，大氣之下物質(zhì)從氣態(tài)逐漸過渡到液態(tài)，不存在像地球地表那樣清晰的分界。深入木星，就像陷入無盡的大氣陷阱，直到被深處壓力壓扁。

木星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)｜來源：britannica.com

那么，科學(xué)家的“測量尺”該放在何處？

為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)界為木星、海王星這類氣態(tài)行星強(qiáng)行劃定了一條“表面線”：1巴（1 bar）大氣壓處，這大致相當(dāng)于地球海平面的大氣壓力。在科學(xué)家眼中，這層看不見、摸不著的“空氣膜”就是木星的“表面”。

“捉迷藏”的無線電信號

木星表面既看不見也摸不著，如何精準(zhǔn)測量其尺寸？這就輪到朱諾號登場了。朱諾號無法直接進(jìn)入木星大氣，它采用了一種曲折的“捉迷藏”方法，學(xué)名為無線電掩星法（Radio Occultation）。

朱諾號的藝術(shù)家假想圖｜來源：NASA

掩星，即一個天體遮擋另一個天體的現(xiàn)象。當(dāng)朱諾號飛到木星背后，從地球視角看被木星遮擋時，就發(fā)生了木星掩朱諾號。掩星期間有兩個特殊時刻——入掩（Ingress）和出掩（Egress）。此時朱諾號本體雖被遮擋，但其發(fā)出的無線電信號會被木星大氣彎曲，從而被地球接收。

木星掩朱諾號示意圖｜來源：自制

這不難理解：大氣如同透鏡，使無線電信號輕微彎曲和延遲。不同溫度、壓強(qiáng)和電子密度的大氣“透鏡”折射率不同。通過分析這些被“彎曲”的信號，可反推出信號路徑上的大氣狀態(tài)，進(jìn)而找到木星的邊界。

無線電掩星示意圖，無線電信號經(jīng)過行星大氣后被彎曲｜來源：自制

水手4號火星掩星實(shí)驗無線電波段折射率變化曲線，高度為相對火星地面高度，1-5為無掩星時折射率變化，6為一次掩星事件期間的折射率變化｜來源：張素君等人（2009）

自上世紀(jì)60年代起，無線電掩星技術(shù)廣泛用于行星深空探測。此前木星直徑數(shù)據(jù)來自旅行者號和先驅(qū)者號的6次無線電掩星結(jié)果，精度和覆蓋范圍有限。如今，朱諾號13次木星飛掠的24次無線電掩星數(shù)據(jù)，覆蓋南北半球中低緯度及部分高緯度，結(jié)合表面帶狀風(fēng)影響，推算出了迄今最精確的木星輪廓。

部分朱諾號無線電掩星探測的點(diǎn)位分布｜來源：Smirnova et al.(2025)

結(jié)果顯示：木星赤道半徑為71488公里，比先驅(qū)者號時代數(shù)據(jù)小約4公里；兩極半徑66842公里，縮水12公里；平均半徑69886公里，也比之前小8公里；數(shù)據(jù)誤差僅0.4公里，遠(yuǎn)小于此前的4公里。

為何執(zhí)著于這幾公里？

有人或許會問：“木星半徑近7萬公里，差幾公里至于這么大費(fèi)周章嗎？”答案是肯定的！木星尺寸的精確測量具有重要的“標(biāo)尺”意義。

木星形狀由內(nèi)部物質(zhì)分布、自轉(zhuǎn)速度和表面大氣運(yùn)動決定。更精確的形狀數(shù)據(jù)如同更嚴(yán)密的邊界條件，能幫助科學(xué)家檢驗和優(yōu)化木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型（如是否存在固態(tài)核心、金屬氫海洋深度等），從而理解這顆行星的演化歷程。

旅行者一號拍攝的木星延時圖像，顯示表面大氣運(yùn)動｜來源：NASA

更重要的是，太陽系外存在大量系外行星，其中不乏類似木星的氣態(tài)巨行星。木星作為我們身邊最近、研究最透徹的氣態(tài)巨行星，其物理性質(zhì)是所有氣態(tài)巨行星理論模型的校準(zhǔn)基準(zhǔn)，例如木星半徑被用作表征系外行星性質(zhì)的單位之一。更準(zhǔn)確的木星數(shù)據(jù)，意味著我們能更可靠地解讀遙遠(yuǎn)光點(diǎn)背后的行星質(zhì)量、密度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。

木星真的在“縮小”

若說幾公里偏差是測量限制導(dǎo)致，那么木星還有一個不可忽視的物理現(xiàn)象：它正以每年2厘米的速度持續(xù)縮小。

這背后是開爾文-亥姆霍茲機(jī)制（Kelvin–Helmholtz mechanism）。簡單來說，木星向外輻射的熱量多于從太陽接收的熱量，表面逐漸冷卻，內(nèi)部壓強(qiáng)降低，星體在引力作用下收縮。收縮使內(nèi)部核心升溫，再次向外輻射熱量，表面繼續(xù)冷卻。

雖然每年2厘米的變化對半徑7萬公里的木星只是“指甲蓋”般的微調(diào)，但積少成多不可忽視——太陽系還有約50億年壽命。此外，理論模型推測，太陽系形成早期木星半徑約為現(xiàn)在的2倍。

朱諾號的持續(xù)探測不斷刷新我們對太陽系最大行星的認(rèn)知。這次“瘦身”發(fā)現(xiàn)提醒我們，即使是看似熟悉的木星，仍有許多未知謎題，更遑論廣袤宇宙。讓我們期待更多天文新發(fā)現(xiàn)！

參考文獻(xiàn)：

【1】Galanti,Eli et al.(2026).The size and shape of Jupiter.Nature Astronomy.1-9.10.1038/s41550-026-02777-x.

【2】NASA’s Juno Mission Redefines Size,Shape of Jupiter,https://science.nasa.gov/blogs/science-news/2026/02/04/nasas-juno-mission-redefines-size-shape-of-jupiter/

【3】張素君,平勁松,洪振杰,韓婷婷,毛曉飛.星-地?zé)o線電掩星技術(shù)探測火星大氣和電離層[J].物理,2009,38(10):722-728

【4】Smirnova,M.,Galanti,E.,Caruso,A.,Fletcher,L.N.,Buccino,D.R.,Gomez Casajus,L.,et al.(2025).Probing Jupiter's atmosphere through Juno radio occultations:Analysis of the atmospheric thermal structure.Geophysical Research Letters,52,e2025GL116804.https://doi.org/10.1029/2025GL116804