给无“表面”的木星量身材，需要几步？

本文来自微信公众号：上海天文馆，编辑：大头，作者：温润

在宇宙中为星球测量尺寸绝非易事。近期《自然·天文学》发表的一项研究带来了木星体型的新发现：我们长期公认的木星大小，其实比实际偏大。

依据朱诺号（Juno）探测器公布的最新数据，木星的实际轮廓比过去50年认知的小了一圈——赤道直径减少约8公里，两极直径缩减约24公里。让我们一同探究木星形状的测量方法。

为木星划定“表面线”

测量木星形状的最大难点在于，它是一颗没有明确“表面”的星球。作为气态巨行星，木星外层包裹着浓厚大气，大气之下物质从气态逐渐过渡到液态，不存在像地球地表那样清晰的分界。深入木星，就像陷入无尽的大气陷阱，直到被深处压力压扁。

木星的内部结构｜来源：britannica.com

那么，科学家的“测量尺”该放在何处？

为统一标准，科学界为木星、海王星这类气态行星强行划定了一条“表面线”：1巴（1 bar）大气压处，这大致相当于地球海平面的大气压力。在科学家眼中，这层看不见、摸不着的“空气膜”就是木星的“表面”。

“捉迷藏”的无线电信号

木星表面既看不见也摸不着，如何精准测量其尺寸？这就轮到朱诺号登场了。朱诺号无法直接进入木星大气，它采用了一种曲折的“捉迷藏”方法，学名为无线电掩星法（Radio Occultation）。

朱诺号的艺术家假想图｜来源：NASA

掩星，即一个天体遮挡另一个天体的现象。当朱诺号飞到木星背后，从地球视角看被木星遮挡时，就发生了木星掩朱诺号。掩星期间有两个特殊时刻——入掩（Ingress）和出掩（Egress）。此时朱诺号本体虽被遮挡，但其发出的无线电信号会被木星大气弯曲，从而被地球接收。

木星掩朱诺号示意图｜来源：自制

这不难理解：大气如同透镜，使无线电信号轻微弯曲和延迟。不同温度、压强和电子密度的大气“透镜”折射率不同。通过分析这些被“弯曲”的信号，可反推出信号路径上的大气状态，进而找到木星的边界。

无线电掩星示意图，无线电信号经过行星大气后被弯曲｜来源：自制

水手4号火星掩星实验无线电波段折射率变化曲线，高度为相对火星地面高度，1-5为无掩星时折射率变化，6为一次掩星事件期间的折射率变化｜来源：张素君等人（2009）

自上世纪60年代起，无线电掩星技术广泛用于行星深空探测。此前木星直径数据来自旅行者号和先驱者号的6次无线电掩星结果，精度和覆盖范围有限。如今，朱诺号13次木星飞掠的24次无线电掩星数据，覆盖南北半球中低纬度及部分高纬度，结合表面带状风影响，推算出了迄今最精确的木星轮廓。

部分朱诺号无线电掩星探测的点位分布｜来源：Smirnova et al.(2025)

结果显示：木星赤道半径为71488公里，比先驱者号时代数据小约4公里；两极半径66842公里，缩水12公里；平均半径69886公里，也比之前小8公里；数据误差仅0.4公里，远小于此前的4公里。

为何执着于这几公里？

有人或许会问：“木星半径近7万公里，差几公里至于这么大费周章吗？”答案是肯定的！木星尺寸的精确测量具有重要的“标尺”意义。

木星形状由内部物质分布、自转速度和表面大气运动决定。更精确的形状数据如同更严密的边界条件，能帮助科学家检验和优化木星内部结构模型（如是否存在固态核心、金属氢海洋深度等），从而理解这颗行星的演化历程。

旅行者一号拍摄的木星延时图像，显示表面大气运动｜来源：NASA

更重要的是，太阳系外存在大量系外行星，其中不乏类似木星的气态巨行星。木星作为我们身边最近、研究最透彻的气态巨行星，其物理性质是所有气态巨行星理论模型的校准基准，例如木星半径被用作表征系外行星性质的单位之一。更准确的木星数据，意味着我们能更可靠地解读遥远光点背后的行星质量、密度和内部结构信息。

木星真的在“缩小”

若说几公里偏差是测量限制导致，那么木星还有一个不可忽视的物理现象：它正以每年2厘米的速度持续缩小。

这背后是开尔文-亥姆霍兹机制（Kelvin–Helmholtz mechanism）。简单来说，木星向外辐射的热量多于从太阳接收的热量，表面逐渐冷却，内部压强降低，星体在引力作用下收缩。收缩使内部核心升温，再次向外辐射热量，表面继续冷却。

虽然每年2厘米的变化对半径7万公里的木星只是“指甲盖”般的微调，但积少成多不可忽视——太阳系还有约50亿年寿命。此外，理论模型推测，太阳系形成早期木星半径约为现在的2倍。

朱诺号的持续探测不断刷新我们对太阳系最大行星的认知。这次“瘦身”发现提醒我们，即使是看似熟悉的木星，仍有许多未知谜题，更遑论广袤宇宙。让我们期待更多天文新发现！

参考文献：

【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】张素君,平劲松,洪振杰,韩婷婷,毛晓飞.星-地无线电掩星技术探测火星大气和电离层[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