無情的輻射衝擊，讓木衛二的「夜側面」也能發光

2020-11-29 NASA愛好者

上圖為木星的衛星木衛二的藝術概念圖，顯示了在木衛二背向太陽的「夜側面」，它冰冷的表面也會發光。輝光的變化和輝光本身的顏色可以揭示木衛二表面冰成分的相關信息。

圖片來源：NASA / 加州理工-噴氣推進實驗室

新的實驗在實驗室中再現了木衛二（Europa）的環境，發現即使在背向太陽的「夜側面」（nightside），這顆冰冷的衛星也閃耀著光輝，這一景象帶給我們的，將遠不只是炫酷的視覺效果。

天寒地凍、海洋遍布的木衛二默默地圍繞木星運行，承受著輻射沒完沒了的無情衝擊。木星用電子和其他粒子沒日沒夜地轟擊木衛二表面，讓它身處高能輻射的煉獄。然而，在這些粒子對木衛二拳打腳踢的同時，它們可能也導致了一些超乎尋常的現象：讓木衛二在黑暗中也發出了光芒。

美國航空航天局（NASA）位於南加州噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory）的科學家進行的新研究，首次詳細介紹了這一特殊輝光的樣子，以及它可能揭示出木衛二表面冰的成分的哪些信息。不同的鹽類化合物對輻射的反應不同，會發出自己獨特的微光。用裸眼看，這種輝光有時候看起來是綠色的，有時看起來又是藍色或白色的，並且亮度不同，這取決於它的化學組成。

科學家用分光計將光分成不同的波長，並將不同的「特徵」，也就是光譜對應到冰層的不同成分上。對於像木衛二這樣的衛星，用分光計進行的大多數觀測都是在衛星白天的時候通過反射的太陽光進行的，但是這些新的結果描繪了木衛二在黑暗中的樣子。

「我們可以預見的是，這種夜側面的冰冷光輝能為我們提供木衛二表面組成的更多相關信息。木衛二表面組成的變化方式可以給我們帶來木衛二是否具有適宜生命存活條件的線索。」噴氣推進實驗室的穆爾蒂·古迪帕蒂（Murthy Gudipati）說道，他是新研究的主要作者，論文已於9月發表在《自然·天文學》（Nature Astronomy）雜誌上。

這是因為木衛二擁有一片巨大的全球性內部海洋，這片海洋可能會通過木衛二厚厚的冰殼滲透到星球表面。通過對表面進行分析，科學家可以了解更多木衛二表面之下物質的相關信息。

發光的「夜側面」

科學家從先前的觀測中推斷出，木衛二的表面可能是由冰和地球上被稱為「鹽」的混合物組成的，這裡的「鹽」指的是像硫酸鎂（瀉鹽）和氯化鈉（食鹽）這樣的化合物。這項新的研究表明，在模擬木衛二的環境條件下，將這些鹽摻入水冰中並用輻射對其進行轟炸時，會產生輝光。

這一現象還不足為奇，我們很容易就能想到受輻射照射的表面會發光，科學家也知道，這種光輝是由高能電子穿透星球表面、激活下方的分子而引起的。當這些分子鬆弛下來，它們就會將能量以可見光的形式釋放掉。

「但是我們從來沒有想到過會看到我們最終看到的東西，」這項研究的共同作者、噴氣推進實驗室的布裡亞納·亨德森（Bryana Henderson）說道，「當我們嘗試用新的成分組成模擬木衛二冰層時，它發出的光輝看起來就不太一樣了。我們都盯著它看了一會兒，然後說：'這和之前的不太一樣，對嗎？這得是另一種光輝吧？』因此，我們用分光計對它進行了測量，每種類型的冰都擁有不同的光譜。」

為了能在實驗室中研究木衛二表面的實體模型，噴氣推進實驗室團隊為木衛二的高能電子和輻射環境測試（High-Energy Electron and Radiation Environment Testing，ICE-HEART）建造了一種被稱為「冰室」（Ice Chamber）的獨特儀器。他們將ICE-HEART帶到位於馬裡蘭州蓋瑟斯堡的一處高能電子束工廠，然後開始進行另一項完全不同的研究：觀察木衛二冰層下的有機物質對輻射衝擊會作何反應。

他們並沒有料到會看到輝光本身的變化與不同的冰層成分具有相關性，正如這項研究的作者所說，它完全出於機緣巧合。

「我們看到氯化鈉鹽成分發出的輝光水平非常低，這一瞬間正是我們改換研究思路的轉折點。」論文的共同作者弗雷德·貝特曼（Fred Bateman）說道。貝特曼對實驗的進行做出了貢獻，他還向位於馬裡蘭州美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的醫療工業輻射設施（Medical Industrial Radiation Facility）的冰層樣品送去了輻射光束。

一顆衛星能在黑暗天空中可見似乎並不是一件反常的事情，在地球上我們就能看到月亮，因為在夜裡它也能反射陽光。但科學家表示，木衛二發出的光是由完全不同的機制引起的，想像一下，有一顆衛星能持續不斷地發出光輝，即使是在它背對太陽的「夜側面」，也能發光。

「如果木衛二不處在這種輻射之下，它看起來就會像我們所看到的月球一樣，即背向太陽的一側是黑暗的，」古迪帕蒂說，「但正是因為它遭受著木星的輻射轟炸，所以它在黑暗中也能發光。」

NASA即將進行的旗艦飛越任務木衛二快船（Europa Clipper）計劃於2020年代中期發射，它將在繞木星軌道運行時多次飛越木衛二觀察它的表面。任務科學家正在審查上述研究的發現，評估探測器上的科學儀器是否能夠檢測到這種輝光。探測器收集到的信息可能會與這項研究中的測量結果進行比較，來確認木衛二表面上的鹽成分，或縮小可能含有的化學物質範圍。

「在實驗室中你通常不會說，'到了那邊我們可能就會發現它。'」古迪帕蒂表示，「通常情況正好相反：去到那邊之後，發現一些新東西，然後嘗試在實驗室中進行解釋；而我們的假設又能再通過一種簡單的觀察來驗證，這就是科學的意義所在。」

類似木衛二快船這樣的任務，將有助於天體生物學領域的發展，對於我們認為可能承載著生命的遙遠星球，這些任務是對相關變量和條件的一種跨學科研究。雖說木衛二快船不是一次探測地外生命的任務，但它將對木衛二進行詳細的偵察，調查這顆冰冷的衛星及其地下海洋是否具有維持生命存在的能力。了解木衛二的可居住性將有助於科學家更好地了解地球生命是如何發展演化的，還能為我們在地球之外尋找生命帶來希望。

想了解木衛二和木衛二快船的更多相關信息，請訪問：europa.nasa.gov。

參考來源：

https://www.nasa.gov/feature/jpl/europa-glows-radiation-does-a-bright-number-on-jupiters-moon

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