额外热量来源导致科学家将这种差异称为木星的“能源危机”

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据外媒报道,木星是距离太阳第五近的行星。根据接收到的阳光量,这个星球上层大气的平均温度应该是零下73摄氏度左右。然而,科学家获得的测量值飙升至约426摄氏度。50年来,这种额外热量的来源一直难以捉摸,导致科学家将这种差异称为木星的“能源危机”。

最近,一个国际团队汇集了来自三个天文台的观测数据–美国宇航局的朱诺号航天器、夏威夷茂纳凯亚的W.M.凯克天文台以及日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的Hisaki卫星–以发现木星热力增加的可能来源。

JAXA太空和宇航科学研究所的James O'Donoghue说:“我们发现,木星的强烈极光是太阳系中最强大的,它负责将整个星球的高层大气加热到令人惊讶的高温。”O'Donoghue在马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心时开始了这项研究,他是发表在《自然》杂志上有关这项研究论文的主要作者。

当带电粒子被卷入该行星的磁场时,就会出现极光。这些粒子沿着磁场中看不见的力线向行星的磁极盘旋,撞击大气中的原子和分子,释放出光和能量。在地球上,这导致了五颜六色的“灯光秀”,形成了极光。在木星,从它的火山卫星木卫一喷发出来的物质,导致了太阳系中最强大的极光,并在木星的极地地区的高层大气中产生巨大的热量。以前曾有人提出过极光可能是木星神秘能量来源的想法,但直到现在,观测结果仍无法证实或否认这一点。

木星上层大气的全球模型表明,被极光加热并前往赤道的风将被木星快速旋转所驱动的西风所压倒并改道。这将防止极光的能量逃离极地地区并加热整个大气层。然而,这个新的观测结果表明,这种捕获并没有发生,而且与赤道风相比,西向风可能比预期的要弱一些。

来自W.M.凯克天文台的高分辨率温度图,结合来自Hisaki和朱诺号的磁场数据,使该团队能够捕捉到极光在向木星赤道发送似乎是热脉冲的行为。

该团队在2016年4月和2017年1月的两个晚上分别用凯克二号望远镜对木星进行了五个小时的观测。利用凯克二号上的近红外光谱仪(NIRSPEC),木星大气层中带电的氢分子(H3+离子)的热量被从行星的两极向下追踪到赤道。以前的上层大气温度图是用只有几个像素的图像形成的。这样的分辨率不足以看到整个星球的温度可能如何变化,对于额外热量的来源提供的线索很少。

为了改善这种情况,研究小组利用凯克二号的力量,在整个星球的表面进行了更多的温度测量,并且只包括记录值的不确定性低于5%的测量。这花费了数年的精心工作,产生了具有超过10000个单独数据点的温度图,这是迄今为止的最高分辨率。

英国莱斯特大学的论文共同作者Tom Stallard说:“我们已经用其他仪器多次尝试这样做,但是通过凯克的NIRSPEC,我们第一次能够快速测量从木星一直到赤道的光线,然后我们可以绘制出温度和电离层密度。”

如果热量被困在极光附近,预计只有极地地区温度高,而这些详细的地图显示,高层大气中的热量分布更广,靠近赤道的温度逐渐降低。

Stallard说:“我们还发现了一个离极光很远的奇怪的局部加热区域–一个不同于我们以前所见的任何加热的长条。尽管我们不能确定这个特征是什么,但我确信它是一个从极光向赤道流动的滚动热浪。”

此外,来自JAXA的Hisaki卫星的观测显示,在凯克二号温度观测时的条件可以在木星上产生强烈的极光。自2013年发射任务以来,Hisaki从围绕地球的轨道上观察了木星周围产生极光的磁场。这种长期监测显示,木星的磁场受到太阳风的强烈影响;太阳风是由太阳发出的高能粒子流。太阳风带有自己的磁场,当它遇到木星的行星磁场时,后者被压缩。在凯克二号观测时,Hisaki表明,太阳风在木星的压力特别大,磁场压缩很可能产生了增强的极光。

最后,来自木星周围轨道上的朱诺号的观测提供了该星球上极光的精确位置。

“朱诺号的磁场数据为我们提供了关于极光位置的‘地面真相’。这一信息并不容易从热力图中获得,因为热量会从许多方向泄露出去,”O'Donoghue说。“把这想象成一个海滩:如果热大气层是水,朱诺号绘制的磁场是海岸线,而极光是海洋,我们发现水离开了海洋,淹没了陆地,而朱诺号揭示了该海岸线的位置,以帮助我们了解洪水的程度。”

“我们捕捉到这个潜在的热脱落事件,这纯粹是运气,”O'Donoghue补充说。“如果我们在不同的夜晚观察木星,当太阳风压最近不高时,我们就会错过它!”

该团队将继续分析数据并制作更多的地图;他们的目标是捕捉木星极光喷出的另一个热点,这次要在2-3天的时间里观察它,这样他们就可以跟踪它在行星周围移动的能量。

“我们能观察到这些特征中的一个移动吗?它是否会显示出极光热流的作用?这种能量的流动又是如何影响到我们现在所知道的周围的复杂磁场的?”Stallard说:“在木星电离层的一个区域,这是一组令人激动的研究问题,五年前,我们认为这是很平凡的。”

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