不一样的极光——“朱诺”探测器在木星的新发现

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即使经过几十年的研究，木星的构成对科学家来说仍然是个谜。作为太阳系里最大的行星，它的大气层也是太阳系中规模最大的，其高度超过5000公里（3000英里），在这里还存在着极端的温度和压力，此外，木星大气层还造就了太阳系中最强大的极光。

朱诺号木星探测器于2016年7月5日抵达木星，研究木星极光现象一直是“朱诺”号探测器的主要目标之一，然而，在分析了探测器仪器收集到的数据后，约翰霍普金斯大学应用物理实验室（以下取其英文缩写：JHUAPL）的科学家们惊奇地发现，木星强大的磁暴与地球上的磁暴有着不同的来源。

这项研究详细阐述了这些发现。并以“木星强大极光中的离散和宽频电子加速”为题发表在《自然》科学杂志上。由JHUAPL的科学家巴里·莫克领导的研究小组分析了朱诺的紫外光谱仪（UVS）和木星高能粒子探测器（JEDI）收集的数据来研究木星的极地区域。

朱诺紫外光谱仪上木星的紫外极光图像。图片来源：NASA/SWRI/Randy Gladstone

与地球相同的是，在木星上，极光是强烈辐射、木星磁场共同作用的结果。当带电粒子与磁场线对齐时，它具有加速电子以高能量水平向大气移动的作用。在检查朱诺数据的过程中，JHUAPL团队观察到电子在能量水平高达40万电子伏特的情况下朝向木星大气加速的信号。

这大约是地球上所经受的能量水平的10到30倍，在地球上，通常只需要几千伏就可以产生极为强烈的极光。考虑到木星拥有太阳系中最强大的极光，研究小组在木星大气中看到如此强大的力量产生了作用并不感到意外。然而，令人惊讶的是，通过进一步分析，科学家们发现这并不是产生如此强度极光的来源。

该研究的主要负责人莫克博士也是Auk制造JEDI仪器的课题小组负责人，他在JHUAPL新闻稿中解释道：

“在木星，最亮的那类极光是由某种我们不太清楚的湍流加速过程引起的。在我们最新获得的数据中有迹象表明，随着极光产生的能量密度越来越强，这个过程变得不稳定，并被一个新的加速过程接管。但我们必须持续分析这些数据才能获得进一步的结论。”

这张图片是用朱诺的紫外光谱仪的数据编译而成的，图片标记了木星极光的路径。图片来源NASA/SWRI/Randy Gladstone

这些发现可能对木星的研究有重大意义，木星的组成和大气动力学仍然是一个谜。这项研究也对太阳系外的气态巨行星和行星系统的研究有一定的意义。近几十年来，对这些系统的研究揭示了数以百计的气态巨星，它们的体积从小至海王星般到大至木星的许多倍（又名 “超级喷射器”）。

这些气态巨行星在轨道上也表现出显著的变化，从非常接近各自的“太阳”到距离中心恒星非常遥远（即“热木星”到“冷气态巨行星”）。通过研究木星将带电粒子加速的能力，天文学家将能够对太空气象、辐射环境以及它们给太空任务带来的风险做出更有根据的推测。这种认知将有助于未来对木星考察的任务，也有助于对深空及星际的探索。

正如莫克所解释的：

“我们在木星极光区观测到的高能量令人敬畏。这些产生极光的高能粒子是了解木星辐射带故事的一部分，这些辐射带对朱诺和即将研制的前往木星的航天器任务构成了挑战。围绕辐射的衰弱效应进行工程设计一直是航天器工程师在地球和太阳系其他地方执行任务的挑战。我们在朱诺数据中了解到的信息，以及从美国宇航局的范艾伦探测器（Van Allen Probe）和正在探索地球磁层的MMS等航天器研究的成果，将向我们揭示更多关于太空气象以及在恶劣的太空环境中保护航天器和宇航员的知识。通过比较木星和地球，对于检验我们对行星物理学工作原理的看法具有非凡的价值。”

在“朱诺”号任务预定结束（原定2018年2月结束，后美国宇航局（NASA）批准了允许朱诺号木星探测器将轨道飞行任务延长41个月至2021年7月的计划）之前，探测器很可能会揭示这个星球的组成、重力场、磁场和极磁层等诸多信息，它将有助于解决关于行星如何形成和演化的长期谜团，也将揭示更多太阳系和太阳系外的历史的秘密。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. 丸子&土豆- JHUAPL, Nature- universetoday

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