木星X射线极光像脉搏周期性爆发,困扰40年之谜解开

木星与地球这2颗太阳系行星的大小、形态皆相当悬殊,但都会产生极光,不同之处在于木星还会周期性爆发X射线耀斑,过去科学家不懂这种发生在黑洞或中子星的现象为何也出现在木星上。

极光现象虽然特殊,但不是地球专属景象,整个太阳系许多天体两极都能看到,比如木星、土星、木卫一埃欧等,当来自太阳的高能粒子撞击这些天体磁层、并沿着磁场线流动与大气分子碰撞时,就会产生这些绚烂的光。

而木星磁场(在赤道的磁场强度约4.3高斯,地球只有0.3高斯)非常强,约为地球磁场20,000倍,因此磁层非常大,如果可以在夜空中看到木星周围磁层,它将覆盖月球大小数倍区域。

和地球不一样的是,木星每隔几分钟左右就产生一次壮观的X射线爆发,能量比地球极光还要强大很多,足以为整个人类文明短暂提供动力,科学家已发现木星X射线爆发40年有余,但不知它们如何产生,因为这种现象通常与更奇特的天体有关,比如黑洞和中子星,只能推测是离子撞击木星大气层时所驱动。

现在,来自伦敦大学学院与中国科学院的团队结合朱诺号、XMM-牛顿卫星(X-ray Multi-Mirror Newton)数据,确认了这种X射线耀斑由木星磁场波动引起。

2017年7月16日~17日期间,朱诺号和XMM-牛顿卫星同步观测了木星,这段期间木星每27分钟就产生一次X射线爆发,团队便回头查看数据确认这段时间木星正经历什么过程。

通过计算机建模,研究人员发现当木星自转时会拖动磁场,后者可能受到太阳风粒子撞击而被压缩(也可能是被木星磁层内的重物质循环压缩),这些压缩又加热了被困在木星磁场中的离子,一系列动作触发一种称为电磁离子回旋波(electromagnetic ion cyclotron wave)的现象,最后离子在木星磁场引导下沿着EMIC波“冲浪”撞击行星两极,以X射线形式释放能量,也就是我们发现的X射线极光。

科学家终于确定了这个基本过程,接下来就能开始研究其他行星上的极光是否也沿此机制产生,类似过程可能也发生在土星、天王星、海王星甚至其他系外行星,不同种类的带电粒子在EMIC波上冲浪滑入行星大气层,带来人眼不可见的灿烂光芒。

新论文发布在《科学前缘》(Science Advances)期刊。

(首图来源:伦敦大学学院)

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