木星不但是我們太陽系個頭和質(zhì)量最大的行星，它還擁有一個奇怪的“身軀”。尤其當(dāng)我們研究它的極光時，它的極光和地球極光在某些方面是比較類似的。近年來，天文學(xué)家一直致力于研究木星的大氣層和磁層，以便了解這顆行星的極光活動規(guī)律。

以倫敦大學(xué)學(xué)院研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究團隊為例，最近他們在朱諾太空探測器數(shù)據(jù)和X射線數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對木星北極和南極極光現(xiàn)象進行了研究。根據(jù)他們的研究成果（發(fā)表在近期的自然科學(xué)雜志上），木星強烈的X射線極光在北極和南極的搏動規(guī)律是相互獨立的。

這項命名為“木星北極和南極X射線極光的獨立搏動”的研究是由英國馬拉德空間科學(xué)實驗室和倫敦大學(xué)行星科學(xué)研究中心的威廉?理查德鄧恩所領(lǐng)導(dǎo)的。參與的研究人員來自哈佛史密松森天體物理中心、美國西南研究院、美國宇航局的馬歇爾太空飛行中心、噴氣推動實驗室等多個研究機構(gòu)。

木星具有壯觀的極光現(xiàn)象，上圖是哈勃空間望遠鏡拍攝下來的照片，來自美國宇航局/歐洲航天局/尼科爾（萊斯特大學(xué)）

就像前面所說，木星上的極光和地球極光現(xiàn)象比較類似，它是太陽發(fā)出的帶電粒子（也叫太陽風(fēng)）和木星磁場相互作用導(dǎo)致的結(jié)果。由于地球和木星的磁場構(gòu)造，這些帶電粒子會被引導(dǎo)到南極和北極區(qū)域，在那里的大氣層中被電離，于是我們在外太空就可以看到非常美麗的光芒。

地球磁場分布示意圖

在過去，木星的極光現(xiàn)象被美國宇航局的錢德拉X射線天文臺和哈勃空間望遠鏡所觀測到，而對這一現(xiàn)象和背后機理的詳細(xì)研究也是朱諾木星探測器的目標(biāo)之一，目前這顆探測器已經(jīng)到達了研究木星極地的理想位置，它每繞行木星一圈，都會通過木星的兩極（近木點的移動）。

為了達到研究目的，鄧恩博士和他的研究團隊必須借助于歐洲航天局的牛頓衛(wèi)星以及美國宇航局的錢德拉X射線天文臺的數(shù)據(jù)。這是由于雖然他們獲得了大量木星大氣層的圖像和數(shù)據(jù)，但是朱諾探測器卻沒有攜帶X射線探測裝置。當(dāng)他們對獲得的X射線數(shù)據(jù)進行檢查之后，發(fā)現(xiàn)木星北極和南極的極光存在差異：

對木星北極的X射線觀測表明，它的亮度增減是無規(guī)律的，但是南極的X射線卻存在11分鐘的規(guī)律性搏動。也就是說北極和南極的極光變化是相互獨立的，這和地球上觀測到的極光明顯不同，因為地球上南極和北極的極光活動就像是對方的鏡像一般。鄧恩博士在倫敦大學(xué)學(xué)院的新聞稿中這樣解釋：

“我們并未料到木星的X射線熱點會出現(xiàn)獨立的搏動現(xiàn)象，因為一般認(rèn)為行星的磁場會讓兩極的極光變化同步協(xié)調(diào)起來。我們需要進一步的研究來搞清楚木星是如何發(fā)出X射線極光的，而美國宇航局的朱諾探測器對我們的研究非常重要。”

對木星的X射線的觀測是在2016年5月到6月以及2017年3月份開展的，基于這些數(shù)據(jù)，研究團隊制作了木星兩極X射線熱點區(qū)域圖。在圖中，熱點覆蓋的區(qū)域比地球表面還要大，通過對其的研究，鄧恩博士和他的同事們能夠確定木星兩極的行為模式并不相同。

下一步，自然是要搞清楚其背后的原因了。其中一種可能性是木星磁力線的振動波導(dǎo)致帶電粒子向兩極運動，其運動速度和方向會隨著時間發(fā)生變化，最終和木星的大氣層發(fā)生碰撞而產(chǎn)生X射線的搏動現(xiàn)象。

蘭卡斯特大學(xué)的物理學(xué)家、也是論文的共同作者，莉西婭?雷博士對此進行了進一步的解釋：

木星的X射線熱點引出了一個重要的問題：究竟是什么導(dǎo)致了極光現(xiàn)象。我們知道“太陽風(fēng)”中包含的離子，以及木星衛(wèi)星火山爆發(fā)產(chǎn)生的氧離子和硫離子與這種現(xiàn)象有關(guān)，但是二者對產(chǎn)生X射線輻射的影響占比還無法確定。

如格雷希拉?布蘭杜迪雷蒙德（倫敦大學(xué)學(xué)院空間與氣候物理教授，也是這項研究的另一名共同作者）所指出的，這項研究能夠開展要歸功于多個探測任務(wù)。然而，正是朱諾探測計劃自2016年7月5日以來繞行木星所形成的完美的規(guī)律性，才使得這項研究成為可能。

來自錢德拉X射線天文臺和哈勃望遠鏡的合成照片展現(xiàn)了木星超級活躍的X射線極光現(xiàn)象。貢獻者：美國宇航局/錢德拉X射線研究中心/倫敦大學(xué)學(xué)院/太空望遠鏡科學(xué)研究所/威廉?理查德鄧恩等人

“在朱諾探測器現(xiàn)場對木星進行觀測的一系列活動中，我認(rèn)為最吸引人的是我們能夠同時觀測到木星的兩極，這是極其罕見的，上一次我們有這個幸運的機會還是在十年前?！?他說，“比較木星兩極的行為能夠讓我們對這顆行星復(fù)雜磁場的相互作用方式了解更多”。

說到未來的計劃，鄧恩博士和他的團隊希望將來自牛頓衛(wèi)星和錢德拉天文臺朱諾探測器的數(shù)據(jù)進行整合，以便更好的理解X射線極光產(chǎn)生的機理。研究人員也希望在未來的兩年里基于這兩種數(shù)據(jù)對木星兩極的活動進行持續(xù)跟蹤。他們還想知道這種極光究竟是持續(xù)存在的還是屬于一種短暫的“特殊情況”。

“如果我們能夠?qū)射線的特征和產(chǎn)生它的物理過程進行關(guān)聯(lián)，我們就可以利用這些特征來理解宇宙中的其它天體，如褐矮星、系外行星甚至中子星?！编嚩鞑┦空f，“對于理解充斥著整個宇宙的X射線來說，這是非常重大且重要的一步，并且只有在朱諾探測器和牛頓衛(wèi)星同時工作時才有可能實現(xiàn)我們的目標(biāo)”。

在即將到來的下一個十年中，歐洲航天局的木星冰月探測器也被寄望能夠為科學(xué)家提供木星大氣和磁場的有價值數(shù)據(jù)。它一旦進入木星體系中（2029年），也會觀測到木星的極光現(xiàn)象，并研究其對伽利略衛(wèi)星（木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四）的影響。

BY: MATT WILLIAMS

FY:?TelescopeX

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