木星 X 射線極光像脈搏週期性爆發,困擾 40 年之謎解開

作者 | 發布日期 2021 年 07 月 11 日 12:59 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


木星與地球這 2 顆太陽系行星的大小、型態皆相當懸殊,但都會產生極光,不同之處在於木星還會週期性爆發 X 射線耀斑,過去科學家不懂這種發生在黑洞或中子星的現象為何也出現在木星上。

極光現象雖然特殊,但不是地球專屬景象,整個太陽系許多天體兩極都能看到,比如木星、土星、木衛一埃歐等,當來自太陽的高能粒子撞擊這些天體磁層、並沿著磁場線流動與大氣分子碰撞時,就會產生這些絢爛的光。

而木星磁場(在赤道的磁場強度約 4.3 高斯,地球只有 0.3 高斯)非常強,約為地球磁場 20,000 倍,因此磁層非常大,如果可以在夜空中看到木星周圍磁層,它將覆蓋月球大小數倍區域。

和地球不一樣的是,木星每隔幾分鐘左右就產生一次壯觀的 X 射線爆發,能量比地球極光還要強大很多,足以為整個人類文明短暫提供動力,科學家已發現木星 X 射線爆發 40 年有餘,但不知它們如何產生,因為這種現象通常與更奇特的天體有關,比如黑洞和中子星,只能推測是離子撞擊木星大氣層時所驅動。

現在,來自倫敦大學學院與中國科學院的團隊結合朱諾號、XMM-牛頓衛星(X-ray Multi-Mirror Newton)數據,確認了這種 X 射線耀斑由木星磁場波動引起。

2017 年 7 月 16 日~17 日期間,朱諾號和 XMM-牛頓衛星同步觀測了木星,這段期間木星每 27 分鐘就產生一次 X 射線爆發,團隊便回頭查看數據確認這段時間木星正經歷什麼過程。

透過電腦建模,研究人員發現當木星自轉時會拖動磁場,後者可能受到太陽風粒子撞擊而被壓縮(也可能是被木星磁層內的重物質循環壓縮),這些壓縮又加熱了被困在木星磁場中的離子,一系列動作觸發一種稱為電磁離子迴旋波(electromagnetic ion cyclotron wave)的現象,最後離子在木星磁場引導下沿著 EMIC 波「衝浪」撞擊行星兩極,以 X 射線形式釋放能量,也就是我們發現的 X 射線極光。

科學家終於確定了這個基本過程,接下來就能開始研究其他行星上的極光是否也沿此機制產生,類似過程可能也發生在土星、天王星、海王星甚至其他系外行星,不同種類的帶電粒子在 EMIC 波上衝浪滑入行星大氣層,帶來人眼不可見的燦爛光芒。

新論文發表在《科學前緣》(Science Advances)期刊。

(首圖來源:倫敦大學學院

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