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奇怪的現象：木星北極和南極極光的變化相互獨立

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2022年9月17日 -
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木星不但是我們太陽系個頭和質量最大的行星，它還擁有一個奇怪的“身軀”。 尤其當我們研究它的極光時，它的極光和地球極光在某些方面是比較類似的。 近年來，天文學家一直致力於研究木星的大氣層和磁層，以便了解這顆行星的極光活動規律。 
以倫敦大學學院研究人員領導的一個國際研究團隊為例，最近他們在朱諾太空探測器數據和X射線數據的基礎上對木星北極和南極極光現象進行了研究。 根據他們的研究成果（發表在近期的自然科學雜志上），木星強烈的X射線極光在北極和南極的搏動規律是相互獨立的。 
這項命名為“木星北極和南極X射線極光的獨立搏動”的研究是由英國馬拉德空間科學實驗室和倫敦大學行星科學研究中心的威廉•理查德鄧恩所領導的。 參與的研究人員來自哈佛史密松森天體物理中心、美國西南研究院、美國宇航局的馬歇爾太空飛行中心、噴氣推動實驗室等多個研究機構。 
木星具有壯觀的極光現象，上圖是哈勃空間望遠鏡拍攝下來的照片，來自美國宇航局/歐洲航天局/尼科爾（萊斯特大學）
就像前面所說，木星上的極光和地球極光現象比較類似，它是太陽發出的帶電粒子（也叫太陽風）和木星磁場相互作用導致的結果。 由於地球和木星的磁場構造，這些帶電粒子會被引導到南極和北極區域，在那裏的大氣層中被電離，於是我們在外太空就可以看到非常美麗的光芒。 
地球磁場分布示意圖
在過去，木星的極光現象被美國宇航局的錢德拉X射線天文台和哈勃空間望遠鏡所觀測到，而對這一現象和背後機理的詳細研究也是朱諾木星探測器的目標之一，目前這顆探測器已經到達了研究木星極地的理想位置，它每繞行木星一圈，都會通過木星的兩極（近木點的移動）。 
為了達到研究目的，鄧恩博士和他的研究團隊必須借助於歐洲航天局的牛頓衛星以及美國宇航局的錢德拉X射線天文台的數據。 這是由於雖然他們獲得了大量木星大氣層的圖像和數據，但是朱諾探測器卻沒有攜帶X射線探測裝置。 當他們對獲得的X射線數據進行檢查之後，發現木星北極和南極的極光存在差異：
對木星北極的X射線觀測表明，它的亮度增減是無規律的，但是南極的X射線卻存在11分鐘的規律性搏動。 也就是說北極和南極的極光變化是相互獨立的，這和地球上觀測到的極光明顯不同，因為地球上南極和北極的極光活動就像是對方的鏡像一般。 鄧恩博士在倫敦大學學院的新聞稿中這樣解釋：
“我們並未料到木星的X射線熱點會出現獨立的搏動現象，因為一般認為行星的磁場會讓兩極的極光變化同步協調起來。 我們需要進一步的研究來搞清楚木星是如何發出X射線極光的，而美國宇航局的朱諾探測器對我們的研究非常重要。 ”
對木星的X射線的觀測是在2016年5月到6月以及2017年3月份開展的，基於這些數據，研究團隊制作了木星兩極X射線熱點區域圖。 在圖中，熱點覆蓋的區域比地球表面還要大，通過對其的研究，鄧恩博士和他的同事們能夠確定木星兩極的行為模式並不相同。 
下一步，自然是要搞清楚其背後的原因了。 其中一種可能性是木星磁力線的振動波導致帶電粒子向兩極運動，其運動速度和方向會隨著時間發生變化，最終和木星的大氣層發生碰撞而產生X射線的搏動現象。 
蘭卡斯特大學的物理學家、也是論文的共同作者，莉西婭•雷博士對此進行了進一步的解釋：
木星的X射線熱點引出了一個重要的問題：究竟是什麼導致了極光現象。 我們知道“太陽風”中包含的離子，以及木星衛星火山爆發產生的氧離子和硫離子與這種現象有關，但是二者對產生X射線輻射的影響占比還無法確定。 
如格雷希拉•布蘭杜迪雷蒙德（倫敦大學學院空間與氣候物理教授，也是這項研究的另一名共同作者）所指出的，這項研究能夠開展要歸功於多個探測任務。 然而，正是朱諾探測計劃自2016年7月5日以來繞行木星所形成的完美的規律性，才使得這項研究成為可能。 
來自錢德拉X射線天文台和哈勃望遠鏡的合成照片展現了木星超級活躍的X射線極光現象。 貢獻者：美國宇航局/錢德拉X射線研究中心/倫敦大學學院/太空望遠鏡科學研究所/威廉•理查德鄧恩等人
“在朱諾探測器現場對木星進行觀測的一系列活動中，我認為最吸引人的是我們能夠同時觀測到木星的兩極，這是極其罕見的，上一次我們有這個幸運的機會還是在十年前。 ” 他說，“比較木星兩極的行為能夠讓我們對這顆行星複雜磁場的相互作用方式了解更多”。 
說到未來的計劃，鄧恩博士和他的團隊希望將來自牛頓衛星和錢德拉天文台朱諾探測器的數據進行整合，以便更好的理解X射線極光產生的機理。 研究人員也希望在未來的兩年裏基於這兩種數據對木星兩極的活動進行持續跟蹤。 他們還想知道這種極光究竟是持續存在的還是屬於一種短暫的“特殊情況”。 
“如果我們能夠將X射線的特征和產生它的物理過程進行關聯，我們就可以利用這些特征來理解宇宙中的其它天體，如褐矮星、系外行星甚至中子星。 ”鄧恩博士說，“對於理解充斥著整個宇宙的X射線來說，這是非常重大且重要的一步，並且只有在朱諾探測器和牛頓衛星同時工作時才有可能實現我們的目標”。 
在即將到來的下一個十年中，歐洲航天局的木星冰月探測器也被寄望能夠為科學家提供木星大氣和磁場的有價值數據。 它一旦進入木星體系中（2029年），也會觀測到木星的極光現象，並研究其對伽利略衛星（木衛一、木衛二、木衛三、木衛四）的影響。 
BY: MATT WILLIAMS
FY: TelescopeX
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木星不但是我們太陽系個頭和質量最大的行星，它還擁有一個奇怪的“身軀”。尤其當我們研究它的極光時，它的極光和地球極光在某些方面是比較類似的。近年來，天文學家一直致力於研究木星的大氣層和磁層，以便了解這顆行星的極光活動規律。

以倫敦大學學院研究人員領導的一個國際研究團隊為例，最近他們在朱諾太空探測器數據和X射線數據的基礎上對木星北極和南極極光現象進行了研究。根據他們的研究成果（發表在近期的自然科學雜志上），木星強烈的X射線極光在北極和南極的搏動規律是相互獨立的。

這項命名為“木星北極和南極X射線極光的獨立搏動”的研究是由英國馬拉德空間科學實驗室和倫敦大學行星科學研究中心的威廉•理查德鄧恩所領導的。參與的研究人員來自哈佛史密松森天體物理中心、美國西南研究院、美國宇航局的馬歇爾太空飛行中心、噴氣推動實驗室等多個研究機構。

木星具有壯觀的極光現象，上圖是哈勃空間望遠鏡拍攝下來的照片，來自美國宇航局/歐洲航天局/尼科爾（萊斯特大學）

就像前面所說，木星上的極光和地球極光現象比較類似，它是太陽發出的帶電粒子（也叫太陽風）和木星磁場相互作用導致的結果。由於地球和木星的磁場構造，這些帶電粒子會被引導到南極和北極區域，在那裏的大氣層中被電離，於是我們在外太空就可以看到非常美麗的光芒。

地球磁場分布示意圖

在過去，木星的極光現象被美國宇航局的錢德拉X射線天文台和哈勃空間望遠鏡所觀測到，而對這一現象和背後機理的詳細研究也是朱諾木星探測器的目標之一，目前這顆探測器已經到達了研究木星極地的理想位置，它每繞行木星一圈，都會通過木星的兩極（近木點的移動）。

為了達到研究目的，鄧恩博士和他的研究團隊必須借助於歐洲航天局的牛頓衛星以及美國宇航局的錢德拉X射線天文台的數據。這是由於雖然他們獲得了大量木星大氣層的圖像和數據，但是朱諾探測器卻沒有攜帶X射線探測裝置。當他們對獲得的X射線數據進行檢查之後，發現木星北極和南極的極光存在差異：

對木星北極的X射線觀測表明，它的亮度增減是無規律的，但是南極的X射線卻存在11分鐘的規律性搏動。也就是說北極和南極的極光變化是相互獨立的，這和地球上觀測到的極光明顯不同，因為地球上南極和北極的極光活動就像是對方的鏡像一般。鄧恩博士在倫敦大學學院的新聞稿中這樣解釋：

“我們並未料到木星的X射線熱點會出現獨立的搏動現象，因為一般認為行星的磁場會讓兩極的極光變化同步協調起來。我們需要進一步的研究來搞清楚木星是如何發出X射線極光的，而美國宇航局的朱諾探測器對我們的研究非常重要。”

對木星的X射線的觀測是在2016年5月到6月以及2017年3月份開展的，基於這些數據，研究團隊制作了木星兩極X射線熱點區域圖。在圖中，熱點覆蓋的區域比地球表面還要大，通過對其的研究，鄧恩博士和他的同事們能夠確定木星兩極的行為模式並不相同。

下一步，自然是要搞清楚其背後的原因了。其中一種可能性是木星磁力線的振動波導致帶電粒子向兩極運動，其運動速度和方向會隨著時間發生變化，最終和木星的大氣層發生碰撞而產生X射線的搏動現象。

蘭卡斯特大學的物理學家、也是論文的共同作者，莉西婭•雷博士對此進行了進一步的解釋：

木星的X射線熱點引出了一個重要的問題：究竟是什麼導致了極光現象。我們知道“太陽風”中包含的離子，以及木星衛星火山爆發產生的氧離子和硫離子與這種現象有關，但是二者對產生X射線輻射的影響占比還無法確定。

如格雷希拉•布蘭杜迪雷蒙德（倫敦大學學院空間與氣候物理教授，也是這項研究的另一名共同作者）所指出的，這項研究能夠開展要歸功於多個探測任務。然而，正是朱諾探測計劃自2016年7月5日以來繞行木星所形成的完美的規律性，才使得這項研究成為可能。

來自錢德拉X射線天文台和哈勃望遠鏡的合成照片展現了木星超級活躍的X射線極光現象。貢獻者：美國宇航局/錢德拉X射線研究中心/倫敦大學學院/太空望遠鏡科學研究所/威廉•理查德鄧恩等人

“在朱諾探測器現場對木星進行觀測的一系列活動中，我認為最吸引人的是我們能夠同時觀測到木星的兩極，這是極其罕見的，上一次我們有這個幸運的機會還是在十年前。” 他說，“比較木星兩極的行為能夠讓我們對這顆行星複雜磁場的相互作用方式了解更多”。

說到未來的計劃，鄧恩博士和他的團隊希望將來自牛頓衛星和錢德拉天文台朱諾探測器的數據進行整合，以便更好的理解X射線極光產生的機理。研究人員也希望在未來的兩年裏基於這兩種數據對木星兩極的活動進行持續跟蹤。他們還想知道這種極光究竟是持續存在的還是屬於一種短暫的“特殊情況”。

“如果我們能夠將X射線的特征和產生它的物理過程進行關聯，我們就可以利用這些特征來理解宇宙中的其它天體，如褐矮星、系外行星甚至中子星。”鄧恩博士說，“對於理解充斥著整個宇宙的X射線來說，這是非常重大且重要的一步，並且只有在朱諾探測器和牛頓衛星同時工作時才有可能實現我們的目標”。

在即將到來的下一個十年中，歐洲航天局的木星冰月探測器也被寄望能夠為科學家提供木星大氣和磁場的有價值數據。它一旦進入木星體系中（2029年），也會觀測到木星的極光現象，並研究其對伽利略衛星（木衛一、木衛二、木衛三、木衛四）的影響。

BY: MATT WILLIAMS

FY: TelescopeX

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