27 7 月, 2021

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科学家们解开了一个关于木星北极光惊人的强大 X 射线的 40 年之谜

木星神秘的 X 射线北极光解释了,结束了 40 年的寻找答案。 天文学家第一次看到了木星磁场被压缩的方式,这会加热粒子并将它们沿着磁场线引导到木星的大气层中,从而产生 X 射线极光。 通过将来自美国宇航局朱诺号任务的现场数据与来自欧空局 XMM-牛顿仪器的 X 射线观测相结合,进行了通信。 图片来源:ESA/NASA/Yao/Dunn

一个研究小组解决了一个长达数十年的谜团,即木星如何每隔几分钟产生一次惊人的 X 射线爆发。

由伦敦大学学院 (UCL) 领导的一个研究小组解决了一个长达数十年的难题,即木星如何每隔几分钟产生一次惊人的 X 射线爆发。

X 射线是木星极光的一部分 – 当带电粒子与行星大气相互作用时会发生可见光和不可见光的爆发。 类似的现象发生在地球上,在那里它创造了北极光,但木星要强大得多,它释放出数百吉瓦的能量,足以为整个人类文明提供动力。 *

在发表在一项新研究中 科学进步研究人员将美国宇航局朱诺号卫星对木星环境的近距离观测与欧洲航天局 XMM-牛顿天文台(在地球轨道上)的同步 X 射线测量相结合。

由伦敦大学学院和中国科学院领导的研究小组发现,X射线耀斑是由木星磁场线的周期性振动引起的。 这些振动会产生等离子体(电离气体)波,使重离子粒子沿着磁场线“冲浪”,直到它们与行星的大气相撞,以 X 射线的形式释放能量。

木星极光的 X 射线

来自美国宇航局朱诺号卫星和美国宇航局钱德拉 X 射线望远镜的木星极点叠加图像。 左图显示了木星的北极光(洋红色)X 射线在北极的 JunoCam 可见图像上的投影。 右侧显示了南部对应物。 图片来源:NASA Chandra / Juno Walk / Dunn

共同主要作者威廉·邓恩博士(加州大学洛杉矶分校穆拉德空间科学实验室)说:“我们已经看到木星产生 X 射线极光已有四年了,但我们不知道这是怎么发生的。我们知道它们只有在离子撞击大气层。行星的大气层。

“我们现在知道这些离子是通过等离子波传输的——这种解释以前没有被提出过,虽然类似的过程会产生地球自己的极光。因此,它可能是一种全球现象,存在于太空中的许​​多不同环境中”。

X 射线极光出现在木星的北极和南极,通常有规律的发条——在这次观测中,木星每 27 分钟就会产生一次 X 射线爆发。

撞击大气层的带电离子粒子源自木星卫星艾奥上的巨型火山流入太空的火山气体。

由于木星周围环境的碰撞,这种气体被电离(它的原子被剥夺了电子),形成了围绕行星的等离子体甜甜圈。

天文学家第一次看到了木星磁场被压缩的方式,这会加热粒子并将它们沿着磁场线引导到木星的大气层中,从而产生 X 射线极光。 通过将来自美国宇航局朱诺号任务的现场数据与来自欧空局 XMM-牛顿仪器的 X 射线观测相结合,进行了通信。 图片来源:ESA/NASA/Yao/Dunn

共同主要作者姚中华博士(中国科学院,北京)说:“现在我们已经确定了这个基本过程,接下来有很多可以研究它的可能性。类似的过程很可能发生在土星、天王星、海王星,也可能环绕系外行星。此外,还有不同类型的带电粒子在波浪中“冲浪”。

共同作者 Graziella Brandoardi-Raymont 教授(加州大学洛杉矶分校空间科学实验室)说:“X 射线通常是由极其强大和剧烈的现象产生的,例如黑洞和中子星,所以只有行星也会产生它们似乎很奇怪。

“我们永远无法访问黑洞,因为它们超越了太空旅行,但木星就在我们家门口。随着朱诺号绕木星运行,天文学家现在有一个绝佳的机会来研究近距离产生 X 射线的环境。”

在这项新研究中,研究人员分析了朱诺和 XMM-牛顿卫星在 26 小时内对木星及其周围环境的连续观测。

他们发现朱诺号探测到的等离子体波与 XMM-牛顿记录的木星北极极光 X 射线耀斑之间存在明显的相关性。 然后他们使用计算机建模来确认波浪会将重粒子推入木星的大气层。

为什么磁场线会周期性振动尚不清楚,但这种振动可能是由于与太阳风的相互作用或木星磁层内的高速等离子体流造成的。

木星的磁场非常强——大约是地球的 20,000 倍——因此木星的磁层,这个磁场控制的区域,非常大。 如果它在夜空中可见,它将覆盖我们月球几倍大的区域。

该工作得到了中国科学院、中国国家自然科学基金委员会、英国科学技术设施委员会(STFC)、英国皇家学会、自然环境研究委员会以及欧洲航天局和美国宇航局的支持。

* 单是木星的 X 射线极光就释放出千兆瓦的能量,相当于一座发电厂在几天内产生的能量。

参考:2021 年 7 月 9 日, 科学进步.
DOI:10.1126 / sciadv.abf0851

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