2018 年，天文学领域发生了哪些大事件？
谢诸位邀，因为内容太多我写了一个礼拜才写完…… 先上个提纲：  这次的四篇文章主要的科学发现来自重力测量，不过南北极气旋那个比较炫，Nature放在了最前面，所以下面我也按这个1234的顺序来讲。 2016年7月4日，朱诺号探测器成功进入木星轨道。为了既能近距离地对木星进行观测，又能最大限度避开木星的高辐射带对探测器的损害，朱诺号选择了极到极（pole-to-pole）的超大偏心率（0.98）、超长周期（52.9天）轨道，并于随后的8月27日完成了第一次极到极的近木星点飞掠探测（Perijove 1，简称PJ1）。  转眼已经过去了一年半。如今的朱诺号正在进行它的第11个探测周期，并将于今年6月结束第一阶段共计12个周期的探测。  2017年5月26日的《科学》杂志发表了两篇论文，介绍了最开始三次近木星点飞掠的（PJ1到PJ3）初步成果，详情可以看着篇： 所以这次《自然》杂志的四篇论文算是第二轮科学成果了，主要是介绍了朱诺号截止到第6次近木飞掠（PJ6）的探测数据对木星的极区气旋、重力场、急流深度、内部结构、自转的最新成果，下面逐条介绍。  朱诺号的极到极轨道使其能够正面观测木星的南北极，这是之前的旅行者号和伽利略号都没有做到的。它携带的JunoCam相机为我们展示了木星南北极的高清影像。其极区观测高度最低可达10万甚至5万公里，带有蓝、绿、红和甲烷（890 nm）四个观测波段的可见光相机JunoCam最高分辨率可达10 km/像素甚至更高。 不过即使朱诺号可以对木星南北极进行正面拍摄，可见光影像中还是一次只能拍到半个南/北极（近红外没有这个问题），这是由于木星的自转轴倾角只有3°，所以木星的极区始终是几乎一半是白天一半是晚上所导致的。这里告诉大家一个小技巧，如果你看到一张完整的木星极区可见光影像，那么这一定是多张影像拼接而成的，因为单次拍摄出来的一定有一半是黑的（阳光无法照射到），比如朱诺号的JunoCam相机拍摄的单张极区可见光影像长这样：  朱诺号的JunoCam相机在前三个周期的探测中就已经发现木星的南北极有大量看似非常凌乱的小型气旋（大小在200-140km之间）(Bolton et al., 2017)。但这次加入了用于拍摄极光的近红外成像光谱仪JIRAM获取的近红外影像后，科学家们惊讶地发现木星南北极的气旋也是“乱中有序”的，有着稳定的分布： 这样壮观的八角星和五角星气旋分布目前为止尚未在其他天体上观测到过。 近红外波段下的影像中更显著，简直亮瞎眼。  放大看一下南北极气旋的高清局部，南极点气旋的中心非常奇特，其他气旋中心都是圆的，但南极点这个气旋的中心是一个眼睛的形状，可以说是有点吓人了……  这是人类首次清楚看到木星南北极的大气结构，但这些气旋的成因和维持方式还完全是个谜，等待着科学家们的进一步解译。目前最大的两个疑问是： 1） 这些影像是在朱诺号的不同周期获取的，每个周期间隔53天，但这些气旋的特征和位置变化非常小：南极的五个气旋每一个周期只逆时针移动了1°，北极的八个气旋要混乱一点，有的时候顺时针，有的时候逆时针，每个周期移动了1-8°不等。也就是说，这个八角星和五角星不仅自身的相对位置非常稳定，而且作为一个整体的移动都是非常缓慢的，这是为什么？ 2） 这些八角星和五角星中的气旋为什么没有合并？要知道土星的南北极点都只有一个大涡旋而已。当然，一百多天对于一个天体上的变化来说还是太短暂了，或许这些气旋正在慢慢合并，只是时间尺度太大难以被人类观测到也是可能的。  南北极气旋虽然炫目，但这次最大的科学发现还是来自于重力场探测。重力分布反映了一个天体内部质量和密度分布，因此我们可以通过对重力信号的分析来推测一个天体的内部结构。木星的重力场是朱诺号探测器最重要的探测目标之一。 木星的固态内核是否存在？有多大？每一层有多深？每一层的转动速度是否一致？科学家们希望朱诺号可以给出答案。 朱诺号是如何探测木星重力场的？ 通过测量朱诺号飞越木星过程中无线电信号（X波段和Ka波段）的多普勒频移，可以获取探测器的理论轨道和实际轨道的差异，这个差异就是实际重力场和理论重力场的差异引起的，通过这个差异来不断修正原有的重力场，可以获得更精准的重力场模型，显然，朱诺号的极轨和近木点飞掠使得多普勒跟踪信号对重力场的变化更加敏感，得到的重力信号的也越精确。 那么这种“更精确”是如何体现的呢？ 我们通常把重力位进行球谐展开，也就是把重力信号分解为多个信号的和，展开的项数越多（分解成的子信号数目越多），这些子信号综合起来表达的结果就越接近真实的重力信号，我们把这些子信号的“编号”称为“阶数”，阶数 J_n 越高（子信号越多），对重力场的还原就越精确。 ——————————以下这段可以不看  ———————— 球面外一个位于纬度 \theta 、经度 \varphi ，距质心距离 r 的点的重力位 U\left( r,\theta,\varphi \right) 可以分解为： U\left( r,\theta,\varphi \right)=-\frac{GM}{r}\left[ 1+\sum_{n=2}^{n_{max}}{\left( \frac{R}{r}\right)^l\sum_{m=-n}^{n}{U_{nm}Y_{nm}\left( \theta,\varphi \right)}} \right] 其中M是天体重质量，R是平均半径， Y_{nm}\left( \theta,\varphi \right) 是球谐函数，可以理解为一组正交基，具体可以看这个球谐函数是什么？， U_{nm} 是项的系数，n为阶数，m为次数，如果一个天体内部的密度函数 \rho\left( r’,\theta’,\varphi’ \right) 已知的话，可以通过重力位反算每组系数 U_{nm} 。 当密度分布与经度无关时（快速自转的流体）， U_{nm} 可以进一步简化为： J_n=-\sqrt{2n+1}U_{n0}=-\frac{1}{MR^n}\int_{V}^{}\left( r' \right)^nP_n\left( \theta' \right)\rho\left( r',\theta' \right)dV' 其中 P_n 是n阶勒让德多项式， J_n 就是这三篇文章中不断提到的重力场n阶系数了。 ——————————以上这段可以不看  ————————  不同类型的子信号（也就是不同阶的J）还可以分别用来反映天体内部的某些特征，例如奇数项 J_n 可以用来反映天体内部分非对称性的物质分布（如大气等流动性部分的深度），而偶数项 J_n 可以用来反映天体内部对称性的物质分布（如刚体部分的自转和深度）……总之不同部分，各有妙用。 去年《科学》杂志发表的论文利用前三个周期（PJ1-PJ3）的探测结果，当时只反算出重力场的J2到J8项，但模型精度比之前提高了一个量级（误差更小）(Bolton et al., Science, 2017)。而这次加入了质量更高（噪声更低）的PJ3和PJ6周期Ka波段的探测数据后，我们对木星重力场还原的精确度又得到了进一步提升。 最新的重力场结果显示，木星的重力扰动表现出了显著的南北（纬度）差异。如果一个天体内部没有不规则的动态变化，它的重力场应当是南北半球对称的（也应该是轴对称的），因此这次朱诺号重力数据显示出的不对称性应当来自木星大气层和内部风的流动。 不仅如此，去掉了偶数项部分后的木星重力加速度扰动的的经向分布与风速梯度的经向分布显示出了强相关性（就是长得非常像的意思），两者的最大峰值都位于纬度24°附近。科学家们推测，这是木星中低纬深浅相间的条带和急流（jet stream）运动的结果，因此通过这些重力数据，可以反过来估算这些条带的深度，这就是下面一篇文章的主要内容了。  木星中低纬区域最典型的特征是深浅交替的彩色条带（以及大红斑），不过这种深浅交替的条带结构并不是木星独有，外太阳系四颗大行星都有。 通常我们把深褐色的条带叫做带（belt）而把浅色条带叫做区（zone），深浅两种条带的运动方向和速度还不一样。深浅条带的边缘穿梭着东西方向飞驰的急流（jet stream）。（体会一下地球上的急流 长啥样）。  大气层和内部风这样的不对称运动主要体现在重力场的奇数项中。朱诺号的重力场J3、J5、J7和J9项数据的进行的进一步计算显示： 虽然这些深浅条带看起来似乎是“漂浮”在木星表面上的薄薄一圈，但它们实际上非常深，像一条条的管道一样深深埋进木星大气层中，条带之间的急流最深可能深达云层（我们把木星大气压1 bar处定义为云层顶部）之下近3000 km。  不过虽然这么深，但这层“灵动飘逸”的大气层质量最多只占了木星总质量的1%（其实也不少了，3个地球那么重啊）。  ↓ 视频体会一下这些“管道”的示（假）意（想）图  上一节说到重力场的奇数项信号可以反映大气和风的运动这样的非对称性物质分布，而重力场的偶数项信号则可以反映天体内部更深层的结构。 木星最内部到底有没有固态内核？科学家们一直争议不下。过去一些研究认为木星很可能有一个小而致密的内核（冰石混合物）甚至没有固态内核(Guillot et al., 1997)。另一方面，木星内部和外层大气层（条带结构和风）的自转速度相同吗？直到这次之前都不确定。 重力场的低阶偶数项数据可以有力地约束和反映的天体的内部结构（比如内核的大小和内部自转），朱诺号前三个周期的重力场探测结果（仅用到J6项）表明，木星小而致密的内核外层可能有一个比过去预想要大得多的外核，两者一共延伸了约0.3-0.5个木星半径，但这个外核很可能不是紧致的固态，而是重元素与金属氢（富含氦）融合在一起的一种“软糯而稀释”的混合状态，这被称为“稀释的核”(dilute core) (Wahl et al., 2017) 。  而这一次，加入了J8和J10项后的重力场数据（也就是J2、J4、J6、J8和J10一起）更好地约束了木星的内部结构和自转。结果依然表明木星内核确实很可能有一层稀释的混合层。风层以下的内部（内核、金属氢层、液态氢层等）都以近乎刚体的形式在自转，速度比外层大气慢多了——至少低了一个量级。 计算结果还表明，流动的外层和近乎刚体的内部的分界在约2000-3500 km，相当于以另一套独立的观测验证了上一节提到的奇数项重力场对外层急流深度的估算。这一分界也对应着电导率的大幅增加，因此推测木星内部这种近似刚体的状态可能是木星内部的磁拖曳造成的。 另一方面，考虑到气态大天体的导电率主要依赖于天体质量，所以文章推测对于质量只有木星三分之一的土星，想要达到相同的电导率，其分界应当至少三倍深于木星（也就是约9000 km），而比木星更重的气态巨行星和以及褐矮星这一分界所在的位置应当浅于木星。  虽然前6个观测周期已经给我们带来了无尽的欣喜和惊讶，但对朱诺号来说，精彩还在继续。今年4月1日，朱诺号将进入第12个观测周期，这也是朱诺号任务的计划中的最后一个观测周期。也就是说即使没有拓展任务，也还有一半的数据等着科学家们去处理和解译。 不过由于朱诺号目前为止运转良好，传回的科学数据始终质量很高，科学家们已经计划让朱诺号在今年7月继续开始下一轮拓展任务。 遥远、神秘而气象磅礴的木星，接下来还会有哪些振奋人心的新发现？ 让我们拭目以待。 同名微信公众号永结无情游相期邈云汉（haibaraemily_planets），公众号版本会通俗得多，以介绍成果为主，不会像在知乎写的这么详细，而且图片会更清楚orz 本文还有一个简化版首发于微信公众号「果壳科学人」（scientific_guokr）。  更多知乎专业回答可以看这里…… 本文严肃认真热泪盈眶地感谢 @漠北 的审稿和 @尞祡 帮忙压制视频~ PS：看晕了的回头去看一下第一张总结图~ 