朱诺和哈勃的数据揭示了电磁“拔河”照亮了木星的高层大气

这些极光是在一系列哈勃太空望远镜成像光谱仪远紫外光观测期间拍摄的。这张照片中的木星全彩盘是由哈勃的外行星大气遗产 (OPAL) 计划在不同时间分别拍摄的，这是一个长期的哈勃项目，每年都会捕获外行星的全球地图。图片来源：NASA、ESA 和 J. Nichols（莱斯特大学）。新的莱斯特太空研究首次揭示，利用美国宇航局朱诺探测器和哈勃太空望远镜的数据，一场复杂的“拔河比赛”点亮了木星高层大气中的极光。

该研究发表在《地球物理研究杂志：空间物理学》上，描述了由木星快速自转以及其卫星木卫一上的火山释放硫和氧气驱动的微妙电流周期。

莱斯特大学物理与天文学学院的研究人员使用了来自朱诺磁场调查 (MAG) 的数据，该磁场调查从围绕这颗气态巨行星的轨道测量木星的磁场，以及哈勃太空望远镜携带的太空望远镜成像光谱仪的观测结果。

他们的研究提供了迄今为止最有力的证据，证明木星强大的极光与电流系统有关，该系统是与磁层中物质拉锯战的一部分，该区域由行星巨大的磁场主导。

Jonathan Nichols 博士是莱斯特大学行星极光的读者，也是该研究的通讯作者。他说：

“二十多年来，我们一直有将这些电流与木星强大的极光联系起来的理论，能够通过在数据中寻找这种关系来最终测试它们真是令人兴奋。当我们将一个与另一个进行对比时，我当我看到连接有多清晰时，差点从椅子上掉下来。

“发现这种关系令人兴奋，因为它不仅有助于我们了解木星的磁场是如何运作的，而且还有助于我们了解围绕其他恒星运行的行星的磁场，我们以前使用过相同的理论，现在有了新的信心。”

尽管体积巨大——直径是地球的 11 倍以上——木星大约每九个半小时自转一次。

木卫一的大小和质量与地球的月球相似，但绕木星运行的平均距离为 422,000 公里；大约还有 10% 的距离。木卫一拥有 400 多座活火山，是太阳系中地质最活跃的天体。

长期以来，科学家们一直怀疑木星的极光与从木卫一以每秒数百公斤的速度喷出的物质之间存在关系，但朱诺号捕获的数据被证明是模棱两可的。

木星“拔河”背后的机制图解——木星快速自转以及其卫星木卫一上火山释放硫和氧所驱动的微妙电流循环。图片来源：Emma Bunce/Stanley Cowley/Jonathan Nichols/莱斯特大学。

NASA 喷气推进实验室 (JPL) 的 Scott Bolton 博士是朱诺号任务的首席研究员 (PI)。他说：

“关于木星极光如何工作的这些令人兴奋的结果证明了将哈勃的地球观测与朱诺测量相结合的力量。HST 图像提供了广泛的概述，而朱诺则进行了近距离调查。他们一起组成了一个伟大的团队！”

木卫一释放的大部分物质被行星快速旋转的磁场推离木星，当它向外移动时，它的旋转速度往往会减慢。这导致了一场电磁拔河比赛，木星试图通过流经行星上层大气和磁层的电流系统来保持这种材料以其旋转速度旋转。

流出行星大气层的电流分量，由沿磁力线向下发射到高层大气的电子携带，被认为是驱动木星主要极光发射的原因。

然而，在朱诺号到来之前，这个想法从未得到过测试，因为之前没有任何带有相关仪器的航天器在足够接近木星的轨道上运行。当朱诺号在 2016 年抵达时，这种电流系统的预期特征并未被报道——尽管此后已经发现了这种特征——朱诺号任务的一大惊喜是证明了木星上方电子的性质极地地区比最初预期的要复杂得多。

在朱诺号任务的早期，研究人员将木星主要极光发射的亮度与同时测量的从太阳系最大行星磁层中流出的电流进行了比较。

这些极光是用地球轨道上的哈勃太空望远镜上的仪器观测到的。通过将黎明侧的电流测量值与木星极光的亮度进行比较，研究小组证明了极光强度与磁层电流强度之间的关系。

Stan Cowley 是莱斯特大学太阳-行星物理学名誉教授，也是该研究的合著者，他研究木星强大的极光已有 25 年。考利教授补充说：

“拥有来自朱诺号航天器五年多的在轨数据，以及来自 HST 的极光成像数据，我们现在有足够的材料来详细研究木星外部等离子体环境的整体物理特性，更多的是来自朱诺号的扩展任务，目前正在进行中。我们希望在我们的论文之后，会有更多人探索这个宝库，以获得新的科学理解。”