夜读|木星磁层的存在主要归功于木星的磁场,由等离子体组成

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完整的木星观测和成像指南





壹

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第五章 木星周围的电磁环境

磁层与磁场
尽管按照我们通常的标准，木星的磁层是真空的，但它实际上包含着稀疏的等离子体，即由气体分解成的带正电的离子和带负电的电子。比木星磁层更大的是一个稀疏的钠原子星云，它包裹着整个木星系统。多次的航天探测任务都报告了木星周围存在大量的高能离子和电子，甚至在距离木星好几个天文单位的地方都能探测到相对论性电子。高能中性原子也被探测到了，它们的质量和电荷状态都无法确定，所以被标记为高能中性原子。图像也显示出钠的微量存在。“卡西尼号”探测器曾发现一种快速且炎热的大气中性风，它从木星延伸出来超过0.5个天文单位，其中存在着被太阳风的电场加速了的高能中性原子。这些原子被认为是起源于木卫一的火山气体，这些物质遭受了一系列的电磁相互作用，最后逃离木星的磁层进入木星系统的周围环境。这个“星云”从木星出发向外延伸了数百个木星半径。我们会经常用到“等离子体”这个术语，所以我们应该了解什么是等离子体。等离子体是高度电离的气体，它由几乎数量相等的自由电子和正离子组成。木星的等离子体片由低能等离子体构成，主要集中在木星赤道面上几个木星半径内。它分布在磁层中，其中有集中电流流过。由于等离子体是由低密度的电离气体构成，它是一种良导体，其特性很容易受到周围电磁场的影响。离子和电子通过发射和吸收低频的“波”相互作用。这些等离子体波以静电振荡（类似于声波）和电磁波两种形式存在。这种波是由等离子体内部的不稳定性导致的。木星磁层的存在主要归功于木星的磁场。和地球一样，木星的磁层也由等离子体组成。这些等离子体大多被束缚在磁场的特定区域，并随着木星的自转而转动。在木星的辐射带中，这些被束缚的粒子比地球磁场中的粒子的能量高十倍，数量也多很多倍。木卫一的火山活动是木星磁层的内部物质来源之一。木卫一是磁层的重要物质来源，磁层中的大部分粒子都来自木卫一，而磁层的能量来自木星的自转。离子和电子由穿过木卫一的木星磁场提供最初的能量，这使它们开始旋转并随着木星运动。木星磁层是动态变化的，其磁赤道和赤道有10度的偏移。木星的磁场不是完全对称的（图5.3），它通常可被认为是一个与木星自转相比轴偏移了9.6度的偶极磁场。由于磁层是倾斜的，它跟着木星自转而转动时就会发生摆动。所以，当从一个静止的点观测时，磁层会发生振荡和扭曲，而磁层外围由于受到太阳风的影响，会在几小时的时间尺度上发生变化。木卫一等离子体环每年也会发生变化，这可能是由木卫一的火山活动导致的。罗杰斯认为，行星磁场可以用“磁力线”描述，这些磁力线就像在空间中穿行的弹性电缆，锚定在旋转的行星上。在两个磁极处的磁场更强，磁力线也就更密集，它们向磁极方向汇聚。因此，行星磁场就像一个磁力瓶，这就是为什么行星（包括木星和地球）可以以高能辐射带的形式在其周围聚集等离子体。我们可以通过一个简单磁铁附近排列着的铁屑来想象磁力线。还记得学校里的那个实验吗？老师把一块磁铁放在桌子上，然后在其周围撒上铁屑。铁屑在磁铁周围顺着磁场的磁力线排列，磁场穿过磁铁的南北两极。行星磁场和磁力线的运行及外观就与此类似。


贰

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《仰望星空-观测木星》

书名：仰望星空-观测木星

著者：(美) 约翰·W. 麦卡纳利

书号：978-7-5426-8587-2

出版：上海三联书店 2024.8

发行：凤凰壹力

定价：39.80元

分类：科普/天文学

信息：16开  平装裸脊  292页

“仰望星空”系列丛书

l  引进自国际知名出版社斯普林格的经典天文观测系列

l  众多天文学家和国际天文观测协会成员合力打造的匠心之作

l  中国科学院国家天文台研究人员执笔翻译

l  丰富的天体理论知识、实用的观测指导，让你的观测更专业

l  附有各种实际绘制的观测图，手把手教你学会观测星空

《仰望星空-观测木星》

★ 权威作者倾情打造——国际月球和行星观测者协会成员约翰·W. 麦卡纳利带你领略木星的魅力，体验观测的美妙。

★透彻讲述关于木星翔实的理论知识——让你成为专业的业余爱好者！

★细致介绍观测木星的方法——挑选设备、绘制观测图……每个夜晚都可以是一次新的冒险！

★书末附有观测协会——可供读者获取最新的天文观测信息。

★装帧精美——图书三边喷绘，平装裸脊，可180°摊开，更便于阅读。

【媒体推荐】

这是一本由一位业余天文学家撰写的书，他多年来一直在为国际月球和行星观测者协会分析木星数据……对于那些刚接触这颗巨大行星的人来说，这将是一本非常有用的书。

——理查德·麦金，《天文台》期刊

【作者简介】

约翰·W. 麦卡纳利，国际月球和行星观测者协会木星组的助理协调员，多年来他一直致力于分析木星数据。他用极富热忱的文字以及自己多年的观测经验，为天文爱好者和新手观测者提供了有关木星翔实的信息。除本书外，他还在各种期刊上发表过相关学术论文。

【译者简介】

萧遊，本科毕业于清华大学物理系，研究生就读于中国科学院国家天文台。研究方向为天文X射线探测器，特别是CMOS探测器在X射线天文中的应用，以及GRB余辉的理论及观测。

【内容简介】

对于业余天文学家来说，木星是最壮观的观测目标之一。关于观测行星的书有很多，也有关于木星的，但本书是独一无二的：它既涉及这颗巨大行星的形成、结构和惊人的物理特征，又包含了如何观测这颗行星及其卫星。本书的第一部分讨论了我们已知的关于木星的知识，以便为第二部分打下基础；第二部分则详细讨论了如何更好地观测木星，以及如何以有意义的方式进行记录和报告。这本书是一个信息宝库，无论对初学者，还是经验丰富的业余观测者，阅读本书都是对木星进行的一次迷人的探索。



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