香港大学尧中华：挑战太阳系之王木星 深空探测的终极考场与新前沿

专题：2025年CC讲坛

　　由北京君和创新公益基金会、中国科学院大学校友会联合主办，主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第69期演讲2025年12月20日在中国科学院大学（北京玉泉路校区）礼堂举行。香港大学地球与行星科学副教授系尧中华出席，并以《挑战太阳系之王木星 深空探测的终极考场与新前沿》为题发表演讲。

　　演讲实录：

　　大家好，我是香港大学地球与行星科学系的尧中华，木星是我的主要研究对象，同时它也是人类深空探测的一个非常关注的目标。今天我就来分享为什么我们要如此关注木星。

　　我们知道在世界各国的文化里面都有一个共同的内容，就是人类对太空的向往。实际上月球是各个国家在现代太空探索的过程中的第一站，我们中国也是如此，现在我们正在实施的是探月工程4期。跟我们的探月工程并列的还有一条行星探测工程，它的第一个任务是天问一号火星探测任务，在2020年成功实施，这也是一个国家第一次实施，就将环绕、着陆、和巡视三步并一步走的伟大创举。

　　在此之后我们还部署了天问二号去到小行星取样返回，并且要前往主带彗星；天问三号去火星采样返回，天问四号就是前往木星。天问二号是今年五月份已经成功的实施了，天问三号、天问四号、即将在2030年前后实施，所以我们接下来有一系列的行星探测任务。

　　那么我们放眼全世界，现在人类已经对太阳系所有的行星都进行了探测，并且遍历了数百个其他的小天体，探测的手段也是丰富多样，包括光学望远镜，无线电就位探测、采样分析、返回样品等等。

　　大家可以看到这张图上密密麻麻的这些探测任务，绝大多数都集中在月球、金星和火星，这也是内太阳系行星距离我们较近的。比较远的土星、木星、天王星、海王星，这是外太阳系行星很远。在探测的过程中飞行器得有能源，太阳能的一个极限到今天为止最远就是达到木星，比木星更远的地方，由于距离太阳太远了，太阳能的效能是不够的，当然更远的地方就要用其他的核动力了。所以木星是一个深空探测非常关键的技术挑战。

　　饶是如此，我们人类对于木星的探测也已经实施了11次，包括7次飞掠探测，飞掠探测的意思是我要去到其他的目标，途经木星，顺便看一下。然后还有两次是专门的探测，这两次专门探测是我们现在对木星取得了主要认识的来源，还有两次是已经发射正在前往木星的路上，所以我们已经实施的是有11次探测任务。

　　为什么这么难，还要不停的去对它进行探索？主要就是因为它有非常重大的科学价值和工程价值。首先木星它是太阳系最大的行星，大家都知道，体积最大，质量最大，磁场也是最强。它的磁场最强，还会导致一个效果，就是空间环境能量非常高，粒子能量非常。

　　木星跟我们地球不一样，我们地球有几个月亮？我们就只有一个月亮，很枯燥，就是两个人在那儿玩游戏。木星有确定的是95个月球，而且这些月球有各种各样的活动，所以木星和它的月球就是一个大班级，大家一起玩，形成一个独立的王国，类似于太阳系，太阳和这些行星相互作用。所以我们也经常称木星为迷你太阳系。

　　在这95颗月球中有三颗特别的有意思，就是木卫二Europa，木卫三Ganymede，木卫四Callisto、这三个卫星为什么那么有意思？首先它的表面都是冰，所以我们叫它冰卫星。表面是冰，这个并没有什么稀奇的，离得远的地方都是冰，别说什么卫星了，天王星，海王星表面也是冰，它们叫冰巨星。关键在于它的内部，我们现在认为内部是有液态海洋，有海洋有加热，大家想象海洋生物，所以它对宜居环境，我们去地外找生命，它是一个非常关键的场所，如今我们对木星探测最聚焦的目标，就是这三颗卫星。

　　木星还有很多重大的科学价值，木星是太阳系第一个形成的行星，它巨大，它吸积了太阳系早期的这些物质并且保留下来，所以说对木星大气的探测，也是验证太阳星云假说的一个重要的方面。

　　另外木星我们刚才说三个卫星，冰卫星、木卫二、三、四，其中木卫四的表面，在不同的标尺下面，第一张左上角是全球标尺，可以看到密密麻麻的点，这些点都是陨石坑，如果你再看右上角第二张图，可以看到它那些坑，坑上有坑，密密麻麻已经完全被饱和攻击了，是不是说明木卫四这个卫星干得不太好，遭人恨，总是砸它？

　　我们地球找一个陨石坑很难的，因为我们地球上有一个成语叫做沧海桑田，描述的是什么？描述的是对地面的改造，你有一个坑，将来给你改造了就没了，变成森林了，对不对？而木卫四这个人记仇，所有的伤痕它全都记住了，它没有一点活跃，所以它不能抚平自己的伤口，实际上是因为它把历史记录都记下来了，它是太阳系最古老的表面，差不多太阳系形成之初，就是这样，然后不停的积累这些坑。所以说对木卫四的研究，对于我们理解太阳系的起源演化是一个极其重要的机遇。

　　木星是太阳系质量最大的行星，它必须引力也大，比地球要大318倍大约。如果我们要飞到很远的深空中，那么一个飞行器经过木星，它会给你一个引力加速，相当类似于一个弹弓给你射出去。大量的飞行器需要飞到一些特殊轨道，都要经过木星加速。从外往里飞的这些天体也是一样的，它引力大，很容易把这些小的天体给吸收掉，所以客观上它还是地球的守护神。

　　木星和那么多有趣的卫星相互作用，形成一个丰富的行星系统，所以它是一个天然的复杂的行星实验室。但是探测并不是一帆风顺，因为它周围的空间并不是什么都没有，它是充满了巨高能量的这些高能带电粒子。任何一个飞行器要经过它，首先得面临这些高能辐射环境的应对，它的辐射环境相对我们地球来说，不管是从能量，还是能量的通量都要大上成千上万倍，什么意思呢？如果你设计一个飞船在地球上运行几年，完成它的各种使命，你把它搬到木星上去，几天就坏了，甚至几个小时就坏掉了，因为它的能通量实在是太高了。所以说对木星的研究，我们必须把能量的问题，高能粒子的问题给它搞清楚，这些高能粒子能通量是怎么来的？这些高能粒子大多数都是带电粒子，带电粒子才会被加速到这么高的能量，这些带电粒子它是受磁场的控制。我们地球跟木星是类似的，也是有偶极磁场，所以我们能用罗盘导航。木星跟地球不一样的是大家看它的磁矩，磁矩是描述一个磁场的大小，它大概要比地球大两万倍，非常巨大，带电粒子进来了以后，它就休想跑出去了，它会给它不停的加速，最后它的能量就巨高。所以我们要研究它的空间环境，理解它空间环境，首先是磁场的问题。磁场怎么研究，我们地球上是怎么研究的？从太阳到地球之间，各个地方都有这些卫星在探测，类似于盲人摸象，虽然每个人只摸到一部分，但是大家把摸到的信息攒起来，对吧？就可以得到一个完整的图像，在地球上我们可以这么干。

　　但是很遗憾在木星我们没有这种机会，太贵了。迄今为止我们就两次专门的探测，一次是伽利略飞船，1995年到2003年。一次是朱诺飞船，2016年到现在，没有交集，所以我们是孤零零的两个飞船，在浩瀚的木星空间环境中探测，企图来理解整个空间环境长什么样，可想而知，难度是很大的。

　　我们地球的磁场，我们有大量的数据，我们已经获得了认识，所以我们就想木星跟地球长得差不多，无非就是磁场强一点，就把它放大了，就是一个偶极磁场，面对太阳的这边被太阳压着，它就变得很小，夜侧那边拉伸变得很大。然后两极靠近磁轴的地方，是连着太阳风里面的，这么一个磁场的结构，我们类似的研究方法很标准，这是国际标准图像。从地球上运用到水星上，运用到土星上，天王星、海王星都是这样的，只要你有偶极磁场跟太阳风相互作用都是这样的。

　　另一种研究方式我们是用极光来研究，因为磁场是关联着空间中大量的能量和行星的大气，所以对于一个有大气的行星，它就会有能量沿着磁力线就漏下来了，就像坐滑梯滑下来了，所以它就会有极光。地球上我们是这么研究的，所以可以通过极光，实际上是显示了磁场的变化和它的结构，它是一个显示器。木星也有大气，所以它也有极光，我们要想地球的图像能不能对比到木星，我们先看看它的极光到底能不能比较。

　　左边是地球的极光，右边是木星的极光，红圈之外很像，红圈之内很不像。红圈之内的，地球是没有极光的，通常没有，木星是一般情况下都有，所以很显然它们有一部分类似又有部分不类似。

　　我们就要说它到底能不能比，我们先看地球的极光和地球的磁场，它是怎么对应的？刚才我们说磁场的结构大概长这样，日侧被压缩，夜侧被拉伸，连着磁轴的地方连到太阳风里面去了。地球黄色两条线之间就是磁轴附近连出来的，可以看到那个地方连到太阳风里面去了，所以能量是不能够被控制在磁力线里面的，它会跑掉跑到很远去了。而在更低一点纬度，磁力线是从南北极闭合的，能量只能在两边弹来弹去，它不能漏掉，就会产生极光。所以说在离磁轴一定区域的地方，它会有一圈地方有能量会产生极光。

　　然后我们把地球的图像放大到木星，结构是保持不变的，连着磁轴的地方照理来说也是连着太阳风的，也不应该有这么高的能通量，但它确实一直有极光的，所以说图像从地球到木星是有一定的问题的。但是实际上我们对木星极光的系统认识，并不是很长时间的一个事情，是2016年开始的。我们两次探测任务，第二次探测任务朱诺飞船就是2016年到达木星的，我就是那个时候加入木星团队的。我们在朱诺飞船到达木星的时候，我们申请到了哈勃太空望远镜对着木星持续监测，所以那才有了我们第一次对木星极光有一个系统的认识，而我本人就是整个任务的数据处理和发布者，全世界的科学家都从我这拿到数据。所以我基本上在那几年，每一天都是全人类第一个看到木星极光长什么样的人。

　　一开始很激动， 但是第一天看到，就觉得它跟我们的标准的图像是不一样的，我去找人讨论，他们就有人给我解释有可能是什么，然后第二天又不太一样，他就说有可能是什么，第三天又不太一样，他又给了另一个理由，我听着听着就觉得不对劲。我看了三年没有一天是跟它一致的，所以我就必须得改变了，要不然我没法面对我自己，没有办法再看下去了。

　　我就要重新认识木星磁场，但是你要想这个领域大家干了这么多年，他们难道不知道自己的那些理由很可笑吗？每一天都有一个理由来解释它为什么不是这样，你那个图像肯定不对了。

　　大家都搞不定的事情，其实我也搞不定。一次很偶然的机会，我结识了现在也是我最亲密的工作伙伴、战友，张彬铮教授，当时他是刚从美国到了香港大学，当时我还在比利时工作。我们参加一个国际会议，这位当时很不巧，因为去医院看医生，医生给他误诊了，以为他是传染病把他隔离起来了。他就没有办法参加会了，所以他就请他的合作者去参加这个会议，恰好合作者也是我在另一个工作中的合作者。开会朋友去讲报告，你肯定去捧场，顺便了解他到底干了啥，听完以后那位朋友自己做的东西我一点没记住，但是他替他讲的那个东西，我觉得有意思，可能能够解决我的疑惑，于是我就果断的给张彬铮教授发了这个信，这个信就是说：你的模拟看起来和我的观测很一致。

　　过了十天他终于从医院出来了，他给我发信说：我很兴奋看到你的极光证据，那么这么高的纬度磁场它能闭合吗？还有任何证据吗？你看看当时的全世界没有任何人在想，这个地方到底能不能闭合的问题。

　　我说下有以下三个证据，基本都是没有发表的，他是不可能从任何已经发表的文献里面看到这个证据的。尤其第二点，木星的双极x射线的脉冲，实际上也是一个我们当时刚做完的一个工作， William Dunn也是我们的一个合作者，我们一起干的工作。

　　木星两极还会发出x射线，刚才我们说了图像比较最高纬度的地方连着磁轴的地方，它是通到太阳风里面的，对吧？北极往北通，南极往南通，所以它是相互独立的，更低一点的纬度它磁力线是闭合的，所以说南极和北极它是关联着的。但是 X射线是最高纬度，是磁磁轴附近出去的，它不应该有关联，当时我们是第一次实现了对x射线的南北极同时监测，发现了南北极居然是关联着的，这不是直接的证据说明了南北极是连着的吗？连着的你必须是闭合磁力线，不能是开放磁力线，但是怎么闭合，我是想不明白的，所以接下来两年我跟张彬铮教授，一个从观测出发，一个从模拟出发，我们双向奔赴，用计算机方法，解析出了这么一个极其复杂的磁力线构型。这个新的磁力线构型，就可以解释为什么地球是那样，而木星是这样，而且这个磁力线是可以简化成地球的。

　　刚才我们说行星的空间环境是由磁场控制的，那么现在我们把磁力线的认知给它调了个个儿，是不是整个空间环境都变了？于是我们就开始整个要重写木星空间到底是什么？我们就进一步的开展工作。譬如说木星的基本磁层结构是什么样的？木星的磁能脉冲和x射线脉冲是什么关联？磁场是如何决定了地球、土星和木星极光的差异等等，这一系列都发表在这些国际顶级期刊上，这都是由前面一个创新的认知，衍生了一系列的研究的结果。

　　由于时间关系，我就挑中间这一个给大家简单介绍一下，磁能脉冲和x射线脉冲的关系。刚才我们介绍到了我们其中的一个证据，就是x射线南北极共同脉冲， X射线的脉冲这个事情是从1979年就被发现了，一个系统一直在脉冲，这是一个很重要的事情，就跟人的心跳一直在跳一样，你当然想了解它是为什么跳，什么在控制它。1979年开始，我们就发现这个事情，我们看了四十多年，但是一直找不到答案。可以看到一条一条的就是它的随时间变化，非常规律的脉冲，跟人的心跳是一样的。

　　我们现在有新的磁场了，我们知道脉冲的能量来源在哪里，所以呢，我们就可以设计观测，当时我们就设计了朱诺飞船在能量源区，我们调用了地球轨道的x射线望远镜，同时对它拍摄，所以我们就相当于是一个源区怎么变，一个结果是怎么样？我们把它关联建立起来了，结果就是我们发现了磁场在源区不停的脉冲，一股一股的把高能粒子给它打下去，沿着磁力线坐滑梯滑到极区，然后一次一次的产生x射线脉冲，左边这个图就更直接了，黑色的就是磁场的脉冲，红色的就是x射线的脉冲，它们俩是高度一致的，所以我们相当于是建立了磁场和x射线脉冲的一个关联。

　　我们这个工作当然也得到了国际社会的高度肯定，包括美国宇航局和欧洲空间局，他们都以《四十年的谜题被揭开》，或者说《木星x射线的极光之谜终于被揭开》来给我们进行亮点报道，表示对我们的认可。

　　前面我跟张彬铮教授非常偶然的这种认识合作，改进了我们对木星磁场的这么一个空间中结构的认识，非常幸运。但是后来在我们中国的木星探测工程的牵引下，我们这种合作就变得非常的频繁和必然了。为了提出中国科学家木星探测的重要科学目标，在过去五年，组织了六次全国范围内的研讨，从第一次我们只有不到15个人，到了最近的一次已经超过150个人了。值得一提的是，很多人都是最近几年，从国际上那些知名的行星科学研究团队，全职回国加入到我们这边研究团队来的。这说明我们中国的木星科学家是积极响应国家的号召，国家的需求的，所以说我是为他们感到自豪，也为我自己感到自豪。

　　前面说了航天器对木星的空间环境的探测，类似于盲人摸象，一条[YZY1] 探测去理解全貌很难。但是好的是本世纪30年代，中国、美国和欧洲都部署了要前往木星的探测任务，并且各有侧重。美国它聚焦在木卫二，欧洲聚焦在木卫三，而我们聚焦在木卫四，所以可以想象届时我们将有一次非常重大的机会，来全面系统的认识木星系统，但同时我们也不要忘了，木星它是一个极端环境，对极端环境的探测，是极具挑战的，所以它需要工程团队和科学家们紧密的配合，才能够把这项任务圆满的实现。

　　木星的探测能力，实际上是一个里程碑式的能力，它也是我们将来通往更远的深空的一次关键的一个练兵。所以我们同时也希望，在下一次的木星探测浪潮中，我们中国的科学家，能够开发自己的智慧，能够做出更多原创的中国故事，来书写未来的木星理论。

　　谢谢大家

　　[YZY1]我也忘了当时说的是啥了，是一条探测轨迹，还是一次探测，但一条探测感觉有点奇怪，应该也没啥误导

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