真奇怪，木星的南北極光是彼此獨立的

2020-12-21 天文在線

另外，作為太陽系中體積最大、質量最大的行星，木星也是太陽系中最神秘的天體之一。這一點在木星強大的極光中表現得尤為明顯，它在某些方面與地球上的極光相似。近年來，天文學家試圖研究木星大氣和磁氣圈的模式，以解釋木星上的極光活動是如何運作的。

例如，由倫敦大學學院的研究人員領導的一個國際團隊最近將「朱諾」號探測器的數據與x射線觀測相結合，以發現有關木星南北極光的一些有趣現象。他們的研究結果發表在最新一期的科學雜誌《自然》上——木星強烈的x射線極光相互獨立地脈動。

這項名為「木星南北x射線極光的獨立脈動」的研究是由穆拉德空間科學實驗室和倫敦大學學院行星科學中心的物理學家威廉·理察·鄧恩領導的。該團隊還包括來自哈佛-史密森天體物理中心(CfA)、西南研究所(SwRI)、美國宇航局馬歇爾太空飛行中心、噴氣推進實驗室和多個研究機構的研究人員。

木星有壯觀的極光，就像這張由哈勃太空望遠鏡捕捉到的景象。資料來源:NASA、ESA和J. Nichols(萊斯特大學)

如前所述，木星的極光與地球的有點相似，因為它們也是來自太陽的帶電粒子的原因。（又叫「太陽風」)與木星磁場相互作用。由於木星和地球磁場的結構，這些粒子被引導到北極和南極地區，在那裡它們在大氣中被電離。這就形成了在太空都可以看到的美麗的極光。


過去，美國宇航局的錢德拉x射線天文臺和哈勃太空望遠鏡曾在木星的兩極周圍發現過極光。研究這一現象及其背後的機制也是「朱諾號」任務的目標之一。「朱諾號」目前處於研究木星兩極的理想位置。探測器每運行一圈，就會從木星的一個極點移動到另一個極點——這一操作被稱為「天幕行動」。

為了他們的研究，鄧恩博士和他的團隊被迫查閱歐洲航天局的xmm -牛頓和美國宇航局的錢德拉x射線天文臺的數據。這是因為，儘管「朱諾」號探測器已經獲得了木星大氣的壯麗圖像和數據，但它並沒有攜帶x射線儀器。當他們檢查了x射線數據後，鄧恩博士和他的團隊注意到了木星南北極光的不同。

北極的x射線輻射是不穩定的，亮度有增有減，南極的x射線輻射每11分鐘持續脈衝一次。基本上，極光的出現是相互獨立的，這與地球上極光的活動不同，換言之，極光的活動是相互反映的。鄧恩博士在倫敦大學學院最近的一次新聞發布會上解釋道:

「我們沒想到會看到木星的x射線熱點獨立地脈動，因為我們認為它們的活動將通過木星的磁場來協調。我們需要進一步研究這個問題，以啟發出關於木星如何產生x射線極光的想法，而NASA的朱諾號任務對這一點非常重要。」


x射線觀測時間為2016年5 - 6月至2017年3月。利用這些，研究小組製作了木星x射線輻射的地圖，並確定了每個極點的熱點。熱點覆蓋的面積比地球的表面積還大。通過對它們的研究，鄧恩博士和他的同事能夠識別出表明它們行為不同的行為模式。

自然而然的，團隊想知道是什麼導致了這種情況。他們提出的一種可能性是，木星的磁力線振動，產生的波攜帶帶電粒子走向兩極。這些粒子的速度和方向可能會隨著時間的推移而改變，導致它們最終與木星的大氣層相撞，並產生x射線脈衝。


蘭開斯特大學的物理學家和論文的合著者Licia Ray博士解釋道:


「木星的x射線熱點的行為提出了重要的問題，什麼過程產生這些極光。我們知道太陽風離子、氧離子和硫離子的組合，最初是由木星的衛星木衛一的火山爆發引起的。然而，它們在產生x射線輻射方面的相對重要性還不清楚。」


正如倫敦大學學院空間與氣候物理系的教授、該研究的另一位合著者Graziella branduardii - raymont所指出的，這項研究的存在歸功於他的多重任務。然而，自2016年7月5日以來一直在木星周圍運行的「朱諾」號任務的完美時間特性使得這項研究成為可能。


錢德拉x射線天文臺和哈勃太空望遠鏡的合成圖像顯示了木星上的高能x射線極光。左圖是日冕物質拋射到達木星時的極光，右圖是日冕物質拋射到達木星時的極光。極光是由太陽的日冕物質拋射觸發的，該拋射於2011年到達地球。


來自錢德拉X射線天文臺和哈勃太空望遠鏡的合成圖像顯示了木星高能X射線極光。圖片來源：X射線：NASA/CXC/UCL/STScI/W.Dunn et al.


他說:「我發現這些觀測特別吸引人的地方，特別是在朱諾號進行實地測量的時候，是我們能夠同時看到木星的兩個極點，這是一個極為罕見的機會，而上一次出現是在10年前。」「通過比較兩極的行為，我們可以了解更多地球環境中複雜的磁場相互作用。」


展望未來，鄧恩博士和他的團隊希望將XMM-Newton和錢德拉的x射線數據與朱諾收集的數據結合起來，以便更好地了解x射線極光是如何產生的。該團隊還希望在接下來的兩年裡，利用x射線數據和「朱諾號」一起跟蹤木星兩極的活動。最後，他們希望看看這些極光是常見的還是不尋常的現象。

「如果我們能夠開始將x射線信號與產生它們的物理過程聯繫起來，那麼我們就可以利用這些信號來了解宇宙中的其他天體，比如褐矮星、系外行星，甚至是中子星，」鄧恩博士說。「對於理解宇宙中的x射線來說，這是非常強大和重要的一步。只有當朱諾號與錢德拉和XMM-Newton同時進行測量時，我們才會有這一步。」


在未來的十年裡，歐洲航天局提出的木星冰衛星探測器(JUICE)也有望提供木星大氣層和磁層的有價值的信息。一旦它在2029年到達木星系統，它也將觀察木星的極光，主要是為了研究這些極光對伽利略衛星(木衛一、木衛二、木衛三和木衛四)的影響。

作者: universetoday

FY: 紅泥小火爐

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