神秘的高能 X 射线被发现来自木星

木星的北极光。（NASA、ESA 和 J. Nichols/莱斯特大学）

终于观察到木星吐出高能波长的 X 射线。

由这颗巨大行星的永久极光发出，并由美国宇航局的太空 X 射线望远镜NuSTAR探测到，这些发射是从太阳系中任何行星（除了地球）看到的最具能量的光。

这一探测可以揭示太阳系中最强大的极光，并解开一个长期存在的谜团：为什么欧空局-美国宇航局的尤利西斯联合航天器在 1990 年至 2009 年的近 30 年运行中没有探测到任何木星 X 射线。

木星的极光构成了一个绝对迷人的现象。在它的两极，这颗行星都被永久的极光环绕——我们的肉眼看不见，但在紫外线波长下会发出耀眼的光芒。X 射线天文台 Chandra 和 XMM-Newton还观察到这些区域发射低能量或“软”X 射线。

科学家们认为，还应该有高能或“硬”X 射线 X 射线，超出了这些仪器所能探测到的范围。所以他们使用 NuSTAR 来寻找它们。

哥伦比亚大学的天体物理学家 Kaya Mori 说：“行星在 NuSTAR 探测到的范围内产生 X 射线是相当具有挑战性的。”

“但木星有一个巨大的磁场，而且它的旋转速度非常快。这两个特征意味着这颗行星的磁层就像一个巨大的粒子加速器，这就是使这些更高能量发射成为可能的原因。”

木星的极光与地球上的极光既相似又不同，它们是由太阳吹入的粒子产生的。它们与地球磁场发生碰撞，从而将质子和电子等带电粒子沿着磁场线飞向两极，在那里它们降落在地球的高层大气中并与大气分子发生碰撞。这些分子由此产生的电离会产生令人惊叹的舞光。

在木星上，基本机制是相似的，但也有一些不同。如前所述，极光是恒定不变的；那是因为这些粒子不是太阳的，而是来自太阳系中火山最多的木星卫星木卫一。

它不断地喷出二氧化硫，通过与行星的复杂引力相互作用立即将其剥离，被电离并在气态巨行星周围形成等离子体环。来自这个圆环的粒子沿着磁场线呼啸而过到达两极，依此类推。

NuSTAR 检测到的发射。（NASA/JPL-加州理工学院）

正如之前发现的那样，这个过程会产生软 X 射线。现在，硬X射线也被发现了。检测起来并不容易，因为高能 X 射线实际上非常微弱，但研究人员表示，这并不能解释为什么尤利西斯无法检测到它们。他们发现，答案在于硬 X 射线的产生方式。

当电子沿着木星的磁场线加速时，它们最终会以高速进入行星的大气层。当这些电子进入原子核及其电场附近时，它们会突然偏转和减速。但是，根据能量守恒定律，它们的动能必须去某个地方，因此它会转化为X射线。

这称为轫致辐射或制动辐射。软 X 射线是通过称为电荷交换的不同机制产生的，其中电子被转移到离子上，离子的激发会产生辉光。

研究人员说，这些机制各自产生不同的光分布。在更高的能量下，轫致辐射 X 射线在更高的能量下应该更微弱，这可以解释为什么尤利西斯从未发现它们。

该团队对包括轫致辐射机制在内的数据进行了建模，不仅与 NuSTAR 的观测结果相匹配，还表明发射超出了尤利西斯的灵敏度范围。到目前为止一切顺利，但我们才刚刚开始探索这一现象。

例如，虽然 NuSTAR 可以在木星极光的一般区域探测到硬 X 射线，但它无法确定精确的发射点。

英国伦敦大学学院的天文学家威廉邓恩说： “这些排放的发现并没有结束这个案例；它开启了一个新的篇章。”

“我们仍然对这些排放及其来源有很多疑问。我们知道旋转磁场可以加速粒子，但我们并不完全了解它们如何在木星上达到如此高的速度。哪些基本过程会自然产生这种高能粒子？”

未来对木星极光的硬 X 射线研究可能有助于进一步了解正在发生的物理现象。

该研究已发表在《自然天文学》上。