奇怪的现象：木星北极和南极极光的变化相互独立

木星不但是我们太阳系个头和质量最大的行星，它还拥有一个奇怪的“身躯”。尤其当我们研究它的极光时，它的极光和地球极光在某些方面是比较类似的。近年来，天文学家一直致力于研究木星的大气层和磁层，以便了解这颗行星的极光活动规律。

以伦敦大学学院研究人员领导的一个国际研究团队为例，最近他们在朱诺太空探测器数据和X射线数据的基础上对木星北极和南极极光现象进行了研究。根据他们的研究成果（发表在近期的自然科学杂志上），木星强烈的X射线极光在北极和南极的搏动规律是相互独立的。

这项命名为“木星北极和南极X射线极光的独立搏动”的研究是由英国马拉德空间科学实验室和伦敦大学行星科学研究中心的威廉•理查德邓恩所领导的。参与的研究人员来自哈佛史密松森天体物理中心、美国西南研究院、美国宇航局的马歇尔太空飞行中心、喷气推动实验室等多个研究机构。

木星具有壮观的极光现象，上图是哈勃空间望远镜拍摄下来的照片，来自美国宇航局/欧洲航天局/尼科尔（莱斯特大学）

就像前面所说，木星上的极光和地球极光现象比较类似，它是太阳发出的带电粒子（也叫太阳风）和木星磁场相互作用导致的结果。由于地球和木星的磁场构造，这些带电粒子会被引导到南极和北极区域，在那里的大气层中被电离，于是我们在外太空就可以看到非常美丽的光芒。

地球磁场分布示意图

在过去，木星的极光现象被美国宇航局的钱德拉X射线天文台和哈勃空间望远镜所观测到，而对这一现象和背后机理的详细研究也是朱诺木星探测器的目标之一，目前这颗探测器已经到达了研究木星极地的理想位置，它每绕行木星一圈，都会通过木星的两极（近木点的移动）。

为了达到研究目的，邓恩博士和他的研究团队必须借助于欧洲航天局的牛顿卫星以及美国宇航局的钱德拉X射线天文台的数据。这是由于虽然他们获得了大量木星大气层的图像和数据，但是朱诺探测器却没有携带X射线探测装置。当他们对获得的X射线数据进行检查之后，发现木星北极和南极的极光存在差异：

对木星北极的X射线观测表明，它的亮度增减是无规律的，但是南极的X射线却存在11分钟的规律性搏动。也就是说北极和南极的极光变化是相互独立的，这和地球上观测到的极光明显不同，因为地球上南极和北极的极光活动就像是对方的镜像一般。邓恩博士在伦敦大学学院的新闻稿中这样解释：

“我们并未料到木星的X射线热点会出现独立的搏动现象，因为一般认为行星的磁场会让两极的极光变化同步协调起来。我们需要进一步的研究来搞清楚木星是如何发出X射线极光的，而美国宇航局的朱诺探测器对我们的研究非常重要。”

对木星的X射线的观测是在2016年5月到6月以及2017年3月份开展的，基于这些数据，研究团队制作了木星两极X射线热点区域图。在图中，热点覆盖的区域比地球表面还要大，通过对其的研究，邓恩博士和他的同事们能够确定木星两极的行为模式并不相同。

下一步，自然是要搞清楚其背后的原因了。其中一种可能性是木星磁力线的振动波导致带电粒子向两极运动，其运动速度和方向会随着时间发生变化，最终和木星的大气层发生碰撞而产生X射线的搏动现象。

兰卡斯特大学的物理学家、也是论文的共同作者，莉西娅•雷博士对此进行了进一步的解释：

木星的X射线热点引出了一个重要的问题：究竟是什么导致了极光现象。我们知道“太阳风”中包含的离子，以及木星卫星火山爆发产生的氧离子和硫离子与这种现象有关，但是二者对产生X射线辐射的影响占比还无法确定。

如格雷希拉•布兰杜迪雷蒙德（伦敦大学学院空间与气候物理教授，也是这项研究的另一名共同作者）所指出的，这项研究能够开展要归功于多个探测任务。然而，正是朱诺探测计划自2016年7月5日以来绕行木星所形成的完美的规律性，才使得这项研究成为可能。

来自钱德拉X射线天文台和哈勃望远镜的合成照片展现了木星超级活跃的X射线极光现象。贡献者：美国宇航局/钱德拉X射线研究中心/伦敦大学学院/太空望远镜科学研究所/威廉•理查德邓恩等人

“在朱诺探测器现场对木星进行观测的一系列活动中，我认为最吸引人的是我们能够同时观测到木星的两极，这是极其罕见的，上一次我们有这个幸运的机会还是在十年前。” 他说，“比较木星两极的行为能够让我们对这颗行星复杂磁场的相互作用方式了解更多”。

说到未来的计划，邓恩博士和他的团队希望将来自牛顿卫星和钱德拉天文台朱诺探测器的数据进行整合，以便更好的理解X射线极光产生的机理。研究人员也希望在未来的两年里基于这两种数据对木星两极的活动进行持续跟踪。他们还想知道这种极光究竟是持续存在的还是属于一种短暂的“特殊情况”。

“如果我们能够将X射线的特征和产生它的物理过程进行关联，我们就可以利用这些特征来理解宇宙中的其它天体，如褐矮星、系外行星甚至中子星。”邓恩博士说，“对于理解充斥着整个宇宙的X射线来说，这是非常重大且重要的一步，并且只有在朱诺探测器和牛顿卫星同时工作时才有可能实现我们的目标”。

在即将到来的下一个十年中，欧洲航天局的木星冰月探测器也被寄望能够为科学家提供木星大气和磁场的有价值数据。它一旦进入木星体系中（2029年），也会观测到木星的极光现象，并研究其对伽利略卫星（木卫一、木卫二、木卫三、木卫四）的影响。

BY: MATT WILLIAMS

FY: TelescopeX

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