天文學家揭開了氣體巨星的熱源之謎, 木星和土星的秘密

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在這張由美國宇航局的卡西尼號飛船拍攝的合成影象中，可以清晰地看到

土星

的極光。藍光對應的是反射的陽光，紅光對應的是土星自身的熱量，綠光對應的是極光中氫離子的放射。

他們生活在遙遠的，被太陽“冷落”的太陽系，

木星

和土星（氣體巨星），天王星和海王星（冰巨星），一直被認為是寒冷的地方。但是，當美國宇航局的旅行者號宇宙飛船在上世紀70年代末和80年代經過它們時，科學家們發現所有這四個星球都在發燙——這一發現就像在冰箱裡發現了篝火一樣令人震驚。

地面望遠鏡以及伽利略號和卡西尼號宇宙飛船的後續觀察表明，它們在整個

行星

範圍內的熱量一直持續著。例如，木星的低緯度應該是零下110攝氏度。相反，那裡的大氣溫度在325攝氏度。這背後未知的熱源是如何不僅使行星上的一個點變暖，而是使整個上層大氣變暖的呢？

科學家們試圖解釋這種現象，但困惑了大約50年，日本航空航天局的行星

天文學家

詹姆斯·多諾霍（James O ‘Donoghue）說。現在有兩篇論文最終揭示了所有熱量的來源：

木星和土星的北極光和南極光——它們的極光。

這些結果來自對這兩顆氣態巨星上層大氣的詳細測量。這兩項研究都表明，在兩個磁極之下的極光區附近，大氣溫度最高。接近赤道時，溫度會下降。很明顯，極光帶來了熱量，就像散熱器一樣，熱量隨著距離的增加而減少。

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這段影片展示了哈勃太空望遠鏡觀測到的木星極光。極光是用遠紫外線拍攝的，然後疊加在行星的可見光影象上。

這一發現可能會產生深遠的影響。行星——從太陽系的行星到那些圍繞遙遠恆星執行的行星——並不總能保護住它們的大氣層。隨著時間的推移，許多氣體會被破壞。研究人員希望能夠將這些行星與可居住的類地行星區分開來。

外星極光

地球的北極光和南極光還沒有被完全瞭解，但基本情況已經很清楚了。

太陽向太空發射一連串的磁場和高能粒子，形成所謂的太陽風。當這些太陽風到達地球時，它們會與地球自身的磁層相互作用。這些高能粒子然後下降到地球的南北磁極。在那裡，它們撞擊上層大氣中的氣體原子和分子。這些撞擊會暫時激發氣體，釋放出可見的閃光。

一般來說，形成極光需要三個要素：高能粒子的來源，磁場和大氣。木星和土星都有這三個要素，但這兩顆行星的極光都不像地球上的極光。

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地球的磁場來自於地下深處的液態鎳鐵合金的流動。但這兩顆氣態巨行星的核心並不是液態鐵。相反，它們巨大的引力將其外核中體積巨大的液態氫擠壓，以至於氫的電子逃出。這個過程把氫變成了一種產生磁性的金屬。

木星的磁層“是太陽系中最大的結構，它的尾巴向下延伸到土星，甚至更遠的地方。

氣體巨星也不能依賴來自太陽風的大量高能粒子或等離子體，這些粒子會隨著距離太陽越來越遠而消散。木星的大部分等離子體來自於它的衛星木衛一，而木衛一是科學界已知的火山活動最多的天體。木衛一近乎恆定的岩漿噴發將大量的火山物質噴射到太空中，然後濺落到木星上。土星的等離子體大部分來自土衛二，這是一顆鏡面狀的冰質衛星，它向太空噴射出壯觀的冰水物質。

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這些等離子體射入行星的磁層，加速進入兩極。在那裡，等離子體中的帶電粒子與大氣中的氣體分子碰撞。

土星上的極光主要發出紫外線。但是產生光的過程和產生熱的過程是不一樣的。等離子體透過磁力線流向行星的磁極——磁化的卷鬚延伸到遙遠的太空。這些卷鬚和它們的等離子體流隨行星旋轉。但他們有時很難跟上節奏。例如，木星每10小時旋轉一次。當這些等離子體流滯後於木星的旋轉時，木星強大的風就會穿過它們。這些風對緩慢移動的等離子體流的阻力會產生摩擦。這種摩擦產生熱量——就木星而言，可能比它從太陽獲得的熱量多125倍。

因此，天文學家一直想知道極光是否是這些行星發熱的源頭就不足為奇了。幾十年來，很明顯極光中存在著大量的能量。但是為了將懷疑變為確定，天文學家需要一張氣體巨星和冰巨星上層大氣的熱圖。有了它，他們就可以看到最高溫度是否會疊加在極光上，以及這些熱量是否會擴散到整個行星上。

2017年4月，在環繞土星軌道運行了13年之後，美國宇航局的卡西尼（Cassini）飛船被命令做了一件了不起的事情：繞土星運行了22圈，於2017年9月15日結束，飛船在土星的雲層中穿梭，給了卡西尼一個獨一無二的特寫視角。

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當卡西尼號接近土星時，它透過土星的大氣層凝視著遠處明亮的恆星。這些恆星發出的光似乎會隨著光線穿過的大氣密度而發生變化。氣體的密度和溫度是相關的，所以研究人員使用了數十種被稱為恆星掩星的測量方法，為土星上層大氣的白天和夜晚繪製了詳細的熱圖。

去年發表在《自然天文學》雜誌上的熱圖顯示，極光周圍出現了熱峰值，而赤道附近的溫度則出現了緩慢的下降。

似乎極光確實是“罪魁禍首”。但是，“如果我們關於土星上能量再分配的理論是正確的，那麼它也必須在木星上起作用，”布朗說，他是土星研究的主要作者。

將木星上層大氣的發熱歸因於其自身的極光也需要一張熱圖。但製作這樣一幅熱圖遠非易事。這顆行星混亂的上層大氣每週都在變化。你不能只在兩極附近測量一個晚上，然後幾周後再回來，把它與赤道附近的測量結果進行比較。隨著時間的推移，天空會發生重大變化，任何熱流的證據都會消失。

研究人員需要的是在一個相對短暫的時間內繪製的全球熱圖——顯示幾個小時內熱量的流動。

研究人員利用位於夏威夷的凱克天文臺。他們在2016年4月14日和2017年1月25日的兩個晚上用紅外線觀測木星，每個晚上觀測5個小時。在每晚的過程中，他們創造了木星白天的高解析度熱圖。這兩張熱圖都清楚地顯示了極光區的溫度達到了頂峰，達到了驚人的730攝氏度。當接近赤道時，溫度的頂點逐漸下降，但那裡的溫度仍然能達到325度。

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他們的研究結果，目前已被《自然》雜誌接受，與卡西尼號在土星上的觀測結果一致。這些結果被認為是“極光就是熱源”的有力證據。發現了極光加熱的作用是天文學的一大進步 。

大多數獨立研究人員似乎相信，全球範圍內的發熱是由極光引起的。英國萊斯特大學的行星科學家利·弗萊徹說，這些論文提供了“一個非常好的證實，證明我們所懷疑正在發生的事情確實發生了”。“能量正從極光向低緯度地區傳輸。”問題是：怎麼傳輸的？

風的力量

大多數的大氣環流模型都在將極光的熱量透過木星和土星的風轉移到赤道。然而，熱圖顯示事實並非如此。卡西尼號發現，有時，對土星大氣層下層的擾動會導致該層遷移到上層大氣。這樣的逆溫可能會擾亂並減緩高層大氣強大的風。

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理論上，這種機制也適用於木星。但氣體巨星的上層大氣缺乏運動的清晰標誌，這使得研究那裡的風極具挑戰性。就目前而言，熱源之謎的這一部分仍是一個沒有答案。

強烈的太陽風活動會對木星的磁層施加壓力。先前的研究表明，當這種壓縮發生時，木衛一的等離子體流可以迅速被推到高層大氣中。額外的等離子體給了那些強大的風更多的推力，這可能會產生一個加熱尖峰。

一研究團隊在2017年1月25日左右，觀察到太陽風活動相對較高，已經炎熱的高層大氣溫度急劇上升。研究小組同時發現了一個奇怪的高溫結構從極光帶向赤道移動。這些現象在2016年4月14日觀測期間沒有出現，當時太陽風活動相對平靜。

該團隊推測，2017年初爆發的太陽風活動可能擠壓了行星的磁層。但其他因素也可能起作用。儘管這些難題揮之不去，但最終確定極光是木星和土星的大氣熱源，極大地增加了我們對這些世界的理解。然而，天王星和海王星仍然籠罩在不確定的濃霧中。它們有不同的大氣、磁場和旋轉行為，這意味著對氣體巨星有效的方法可能對冰巨星無效。它們如此遙遠，以至於我們很難用地球上的望遠鏡看到它們的細節，而且看起來在可預見的未來，它們似乎不會被其他航天器訪問。在那一天到來之前，這些遙遠的“國度”仍將是陌生人。