木星：太阳系中未完成的巨星

朱诺号探测器拍摄的木星气态巨行星图像 — 朱诺号探测器拍摄的木星图像（2019年），展示了其云带、反气旋区域和大红斑。图像底部绘有地球，用于比较木星和地球的直径。
图像来源: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS （新窗口）

科学摘要

木星的质量是地球的318倍，直径是地球的11倍，是太阳系中最大的行星。它的成分中约70%是氢，20%是氦，与太阳的成分相似。然而，尽管它的质量非常大，但仍不足以触发核聚变，因此被称为“失败的恒星”。木星释放的能量是它从太阳接收能量的1.7倍，这要归功于引力收缩。它的动态大气层、伽利略卫星以及作为内行星的引力盾牌的角色，使其成为研究太阳系形成和动力学的核心对象。

为什么木星被称为“失败的恒星”，它在太阳系中的角色是什么？

Astronoo的文章将木星描述为“太阳系中未完成的巨星”，这是一颗成分与太阳非常接近的行星，几乎可以被称为流产的恒星。这个基本问题在文章的核心：为什么木星没有成为一颗恒星？ 答案在于它的质量不足：木星的质量为1.898×10²⁷千克，要触发核聚变，它需要质量达到当前的75倍，才能使其核心的压力和温度（约20,000 K）达到临界阈值（约400万K）。因此，木星是一颗气态巨行星，拥有一个岩石核心和一个金属氢层，能够产生强大的磁场。文章强调，木星不仅仅是一个惰性的巨星。它是太阳系中的一个活跃参与者：它释放的能量比接收的多，拥有复杂的卫星系统（包括四颗伽利略卫星），最重要的是，它巨大的质量使其成为一个引力盾牌，通过偏转许多小行星和彗星来保护内行星（如地球），尽管它也可能通过共振将某些天体引导至内太阳系。

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质量最大的行星

木星的质量为 \(1.898 \times 10^{27}\) 千克，是地球的318倍以上，凭借其引力和轨道影响主导着太阳系 (太阳及其行星的集合)。它的赤道直径达到 142,984 千米，约为地球直径的 11.2倍（12,742 千米），使其成为太阳系中最大的行星。它的成分中约70%是氢，20%是氦，与太阳相似，因此获得了“失败的恒星”的绰号。然而，尽管其核心的压力和温度极高，但仍不足以触发热核聚变 (氢聚变为氦的核反应)。

木星的平均成分
成分	质量比例	主要位置	备注
氢 (H₂)	≈ 71 – 74%	外层和金属层	木星的主要气体；在压力 >3 Mbar 时变为金属
氦 (He)	≈ 23 – 25%	大气层和内层	由于向中心沉降，在高层大气中含量减少
重元素 (O, C, N, Si, Fe, Mg, S, 等)	≈ 3 – 6%	岩石和冰核	相当于10到20个地球质量；在气体吸积前形成

为什么木星没有成为恒星

质量不足以触发聚变

要使一个天体开始氢的热核聚变，它必须达到约75倍木星质量的临界质量。低于这个阈值，内部压力将过低，无法使质子克服静电斥力，而这是聚变反应 H + H → He 的必要条件。因此，尽管木星体积巨大，但它从未能触发恒星特有的核反应。

巨行星的内部结构

由于无法进行聚变，木星发展成为一颗气态巨行星。它可能拥有一个10到20个地球质量的岩石或冰核，埋藏在厚厚的氢和氦层下。在可见云层下15,000到20,000千米的深度，氢达到极端压力，转变为金属氢，一种具有类似液态金属性质的导电流体。

物质的奇异状态

金属氢 (在极端压力下形成的氢的高密度相)是一种奇异的物质状态，由尤金·维格纳和希拉德·贝尔·亨廷顿在1935年预测。在超过300万个大气压（≈ 3 Mbar）的压力下，氢原子失去其价电子，形成H⁺离子网络，浸没在“自由电子气”中。这种行为赋予氢金属特性：高电导率和与液态金属相当的光学反射率。

金属氢的作用

这种金属相在木星强大磁场的产生中起着至关重要的作用，通过内部发电机机制。分子氢向金属氢的逐渐过渡也有助于释放引力和热能，这解释了为什么木星辐射的红外线比它从太阳接收的更多。

与真正恒星的比较

为了理解木星和像太阳这样的恒星之间的根本区别，比较它们的基本物理参数会很有帮助。

木星与太阳的比较
特性	木星	太阳	备注
质量	\(1.898 \times 10^{27}\) 千克	\(1.989 \times 10^{30}\) 千克	需要75个木星才能达到红矮星的最小质量
半径	71,492 千米	696,340 千米	太阳几乎大10倍
核心温度	≈ 20,000 K	≈ 15,000,000 K	核聚变需要 >4 × 10⁶ K
能量来源	引力收缩	氢聚变	太阳将氢转化为氦；木星不进行

N.B.:
如果原太阳星云在其外部区域的质量稍大一些，木星的核心可能已经达到了约13个木星质量的临界阈值。但原行星盘中可用的气体已经因太阳的形成而减少，无法实现完全的引力坍缩。因此，木星是一颗未完成的恒星，诞生于一个局部密度不足的储存库，无法点燃。

木星与褐矮星：两个截然不同的世界

相当数量的双星系统包含一颗围绕恒星运行的褐矮星。这些配置表明，褐矮星处于巨行星和小恒星之间的中间地带，可以在恒星和行星环境中形成。木星尽管体积巨大，但明显属于巨行星范畴，并未跨越定义亚恒星天体的物理阈值。

木星的内部结构和释放的能量

木星释放的能量大约是它从太阳接收能量的1.7倍。这种能量主要来自行星的缓慢引力收缩，这种现象被称为开尔文-赫姆霍兹机制 (由于天体引力收缩而释放热量)。通过非常缓慢的收缩，木星将部分引力势能转化为内部热量，然后以红外线的形式辐射出去。

动态而剧烈的大气层

不断运动的云带

木星的大气层由平行于赤道的云层组成。这些云带交替出现明亮和黑暗的区域，分别被称为区域 (上升的较冷空气区域)和带 (下降的较暖空气带)。它们由时速超过500千米的强风驱动，这些强风切割并拉伸云层，延伸数千千米。

大红斑：巨大的反气旋

著名的大红斑是木星大气层中的一个巨大反气旋 (持久的大气涡旋，类似于反气旋)，直径约12,000千米，与地球的直径（≈12,756千米）相当。长期以来，人们认为它已经活跃了三个多世纪，这与乔凡尼·卡西尼在1665年至1713年之间的观测有关。然而，现在这一观点正在被重新评估： 2024年的一项研究（Sánchez‑Lavega 等）表明，卡西尼观测到的“永久斑点”很可能已经消失，而当前的大红斑自1830年代以来一直被持续观测，实际上可能只有190多岁。

极端且多变的天气

木星的大气现象极其剧烈：快速喷流、涡旋、极地气旋、云带颜色变化以及大气层的“全球重组”事件。这些动态现象源于行星的内部热量、快速自转（≈10小时）以及缺乏固体表面，使得天气系统能够持续数十年。

木星的卫星：一个微型系统

木星系目前拥有超过100颗已确认的天然卫星——根据国际天文学联合会2026年3月的官方统计为101颗，加上2026年4月宣布的发现，总数达到115颗。其中最大的四颗——木卫一、木卫二、木卫三和木卫四——是伽利略·伽利莱（1564–1642）于1610年发现的。这些伽利略卫星形成了一个动态集合，类似于一个微型的行星系统。它们的观测使伽利略能够证明并非所有天体都围绕地球运行，从而支持了哥白尼（1473–1543）的日心说模型。

木星的主要卫星
卫星名称	半径 (千米)	与木星的平均距离 (千米)	主要特征	神话人物
木卫一（伊奥）	1,821	421,800	太阳系中火山活动最活跃的卫星，年轻且富含硫磺的表面	被宙斯（木星）所爱的宁芙，为逃避赫拉而被变成小母牛
木卫二（欧罗巴）	1,561	671,100	光滑的冰面，冰下有液态水海洋，是寻找微生物生命的候选地	被宙斯化为白牛拐走的腓尼基公主
木卫三（盖尼米德）	2,634	1,070,400	太阳系中最大的卫星，拥有自己的磁场和内部海洋	被宙斯掳走的特洛伊年轻王子，成为众神的酌酒者
木卫四（卡利斯托）	2,410	1,882,700	古老且布满撞击坑的卫星，核心分化程度低，可能有深层海洋	被宙斯诱惑的阿尔忒弥斯的宁芙，被变成熊后又变成星座
木卫五（阿马尔忒亚）	83	181,400	不规则的红色卫星，非常接近木星，强烈的热照射	宙斯幼时的奶山羊，丰饶的象征
木卫六（希马利亚）	85	11,480,000	希马利亚群的不规则卫星，倾斜的顺行轨道	宙斯使其成为三个儿子的母亲的宁芙
木卫七（埃拉拉）	43	11,740,000	不规则卫星，可能是一个被捕获的碎片	被宙斯所爱的宁芙，巨人提丢斯的母亲
木卫八（帕西法尔）	30	23,500,000	帕西法尔群的逆行卫星，可能是一个被捕获的天体	米诺斯的妻子，米诺陶的母亲，太阳神赫利奥斯的女儿
木卫九（西诺佩）	19	23,860,000	小型逆行卫星，形状不规则，属于帕西法尔群	宙斯试图诱惑但被她欺骗以保持贞洁的公主
木卫十（吕西忒亚）	18	11,720,000	不规则卫星，轨道略微倾斜	被宙斯所爱的宁芙，狄奥尼索斯的母亲（根据某些版本）

超越卫星

不规则卫星的领域

除了大型的伽利略卫星之外，木星系还延伸到一个广阔的区域，其中充满了许多不规则卫星。这些小卫星通常只有几千米大小，沿着偏心、高度倾斜或逆行的轨道运行，与主要卫星的轨道截然不同。大多数并非在木星周围形成：它们是太阳系早期数百万年间被木星引力捕获的原始天体。

早期太阳系的动态化石

这些不规则卫星分布在不同的动态群组中，具有不同的倾斜角和距离，为理解吸积和行星迁移过程提供了宝贵线索。它们当前的组织反映了45亿年前木星环境中经历的引力扰动、碰撞和捕获。这些遥远的小卫星因此是真正的动态化石，保存了巨行星形成和演化的记忆。

木星：太阳系的守护者

巨大的引力盾牌

木星的质量是地球的318倍，这使得它在太阳系 (太阳及其轨道天体的集合)的引力稳定性中扮演着基本角色。它的巨大引力场作为内行星（特别是地球）的天然盾牌，通过偏转或捕获大量潜在危险的彗星和小行星来发挥作用。这种现象被称为引力散射 (在另一个天体的引力影响下改变轨道)，改变了来自小行星带和奥尔特云的小天体的动态。

内部系统的动态稳定器

轨道模拟显示，如果没有木星，地球受到的星际物体撞击流量将增加10到100倍（Horner, Jones & Chambers, 2010）。木星还充当动态稳定器，通过吸收部分引力共振来限制火星和主带的轨道扰动。

有时危险的建筑师

然而，它的影响并非完全是保护性的。木星的某些林德布拉德共振 (导致小行星带动态不稳定性的轨道共振)和平均运动共振 (木星与小轨道天体之间的重复引力相互作用)可能反而使小行星不稳定，并将它们弹射到内太阳系。因此，木星既是太阳系的守护者，也是建筑师，不断塑造着行星轨道和小天体的分布。

N.B.:
木星的保护作用仍存在争议。虽然这颗巨行星减少了灾难性撞击的频率，但它也可能将某些天体重定向到内行星。它对撞击概率的整体影响在很大程度上取决于动态时期和长周期彗星的分布。

参考文献

NASA – 朱诺号任务（2024年）：nasa.gov/mission_pages/juno （新窗口）
ESA – JUICE任务：esa.int – JUICE （新窗口）
NASA Science – 木星的卫星（2026年3月更新）：science.nasa.gov/jupiter/jupiter-moons （新窗口）
Horner, J., Jones, B. W. & Chambers, J. (2010), « Jupiter – friend or foe? III: the Oort cloud comets », International Journal of Astrobiology, 9(1), 1–10. DOI: 10.1017/S1473550409990346 （新窗口）
Sánchez-Lavega, A. et al. (2024), 关于大红斑的年龄, Geophysical Research Letters. 另见: AGU Newsroom （新窗口）
Wigner, E. & Huntington, H. B. (1935), 金属氢的理论预测, Journal of Chemical Physics.
NASA – 朱诺号任务（2024年）（新窗口）,
ESA – JUICE任务（新窗口）.

FAQ：关于木星这颗失败的恒星，你需要知道的一切

为什么木星被称为“失败的恒星”？

木星由约90%的氢和氦组成，这些也是构成太阳的元素。然而，要使一个天体成为恒星并开始核聚变，它需要达到约75倍木星质量的临界质量。木星的质量是地球的318倍，但其核心的压力和温度（约20,000 K）不足以触发氢聚变（需要超过400万K）。因此，木星仍然是一颗气态巨行星。

木星的主要物理特性是什么？

木星是太阳系中最大的行星，赤道直径为142,984千米（约为地球的11.2倍）。它的质量为1.898×10²⁷千克，是地球的318倍。其成分主要是氢（≈70%）和氦（≈20%）。它的内部结构包括一个岩石或冰核（约10到20个地球质量）和一个厚厚的金属氢层，后者产生其强大的磁场。

为什么木星释放的能量比它从太阳接收的多？

木星释放的能量大约是它从太阳接收能量的1.7倍。这额外的能量主要来自开尔文-赫姆霍兹机制，即行星的缓慢引力收缩。通过非常缓慢的收缩，木星将部分引力势能转化为内部热量，然后以红外线的形式辐射出去。

木星的大红斑有什么重要性？

大红斑是木星大气层中的一个巨大反气旋，直径约为12,000千米，与地球的直径（≈12,756千米）相当。其风速超过500千米/小时。长期以来，人们认为它已经存在了300多年，这与17世纪乔凡尼·卡西尼的观测有关。然而，现在这一观点正在被重新评估：2024年的研究表明，卡西尼观测到的“永久斑点”很可能已经消失，而当前的大红斑自1830年代以来一直被持续观测，实际上可能只有190多岁。

木星在保护地球方面扮演了什么角色？

由于木星拥有巨大的质量（地球的318倍），它对太阳系施加了重大的引力影响。它作为天然盾牌，通过偏转或捕获大量可能撞击内行星（包括地球）的彗星和小行星来发挥作用。然而，它的影响是复杂的：通过其引力共振，它也可能使某些小行星不稳定，并将它们弹射到内太阳系。因此，它的角色既是保护性的，也是动态建筑性的。

木星的主要卫星及其特征是什么？

木星拥有超过100颗已确认的卫星（根据国际天文学联合会2026年3月的官方统计为101颗，加上2026年4月宣布的发现，总数达到115颗）。最著名的是1610年由伽利略发现的四颗伽利略卫星：

木卫一（伊奥）：太阳系中火山活动最活跃的卫星。
木卫二（欧罗巴）：拥有光滑的冰面，冰下有液态水海洋，是寻找微生物生命的候选地。
木卫三（盖尼米德）：太阳系中最大的卫星，拥有自己的磁场。
木卫四（卡利斯托）：古老且布满撞击坑的卫星，可能拥有深层海洋。

这些卫星形成了一个真正的“微型太阳系”，并且对于证明并非所有天体都围绕地球运行至关重要。