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《自然》:木星“能源危机”的解决方案被揭示
时间:2021-08-10 09:03:54

据外媒报道, 发表在《自然》上的一项新研究揭示了困扰天文学家数十年的木星“能源危机”的解决方案。 莱斯特大学的太空科学家跟来自日本航天局(JAXA)、波士顿大学、NASA戈达德太空飞行中心和美国国家信息通信技术研究所(NICT)的同事们合作揭示了木星大气加热背后的机制。

现在,通过利用来自夏威夷凯克天文台的数据,天文学家绘制出了这颗气态巨行星高层大气的迄今为止最为详细的全球地图,其首次证实了木星强大的极光是为整个行星提供热量的原因。

James O 'Donoghue博士是JAXA的研究员,他在莱斯特大学完成了博士学位,他是该研究论文的主要作者。他说道:“在莱斯特大学,我们首先要开始尝试绘制木星最高大气层的全球热图。当时,这个信号还不够亮,还不足以显示木星极地以外的任何东西,但凭借从那次工作中学到的经验,几年后,我们设法确保了在地球上最大、最具竞争力的望远镜之一上的时间。通过利用凯克望远镜,我们绘制了非常详细的温度图。我们发现极光内部的温度开始非常高,这是之前工作的预期,但现在我们可以观察到,木星的极光尽管只占行星面积不到10%但似乎正在加热整个行星。”

这项研究始于莱斯特大学,随后在波士顿大学和NASA进行并最后在日本的JAXA结束。来自各大洲的合作者结合NASA的朱诺号(Juno)航天器和JAXA的Hisaki航天器的数据共同努力从而使这项研究取得了成功。

Tom Stallard博士和Henrik Melin博士都是莱斯特大学物理与天文学院的成员。Stallard补充称:“在我们的太阳系中,每一颗巨行星顶端的稀薄大气层一直是一个长期存在的谜题。在过去的50年里,通过对木星的每一次太空任务及地面观测,由于赤道太热了,所以我们一直都在测量那里的温度。这种‘能源危机’是一个长期存在的问题--是模型未能正确地模拟出极光的热量流动还是赤道附近存在其他未知的热源?这篇论文描述了我们如何以前所未有的细节绘制这一区域的地图,并表明,在木星,赤道加热跟极光加热存在直接关联。”

当带电粒子被行星磁场捕获时就会产生极光。这些螺旋沿着磁力线向行星的磁极旋转、撞击大气中的原子和分子并释放光和能量。

在地球上,这导致了形成北极光和南极光的典型光秀。在木星上,从其火山卫星木卫一喷出的物质导致了太阳系中最强烈的极光并在木星的极地地区产生了巨大的热量。

尽管木星的极光长期以来一直是使木星大气层升温的主要原因,但之前的观测结果直到现在都无法证实或否认这一点。

以往的高空大气温度图是用只有几个像素的图像绘制的,这还不足以解释地球上的温度是如何变化的,同时也无法提供额外热量起源的线索。

研究人员绘制了五幅不同空间分辨率的大气温度地图,其中最高分辨率的地图显示了经度2度和纬度2度的平均温度测量值。

该团队对超10000个独立的数据点进行搜索,他们只绘制了不确定性小于5%的点。

气态巨行星的大气模型表明,它们的工作原理就像一个巨大的冰箱,热能从赤道向极地输送并沉积在这些极地地区的低层大气中。

这些新发现表明,快速变化的极光可能会推动能量波对抗这种向极地流动从而使热量到达赤道。

观测结果还显示,在次极光区域有一个局部加热区域,其可以被解释为向赤道传播的有限热波,而这可以作为驱动热传递过程的证据。

莱斯特大学的这项行星研究涵盖了整个木星系统,从行星的磁层和大气层再到到其各种各样的卫星收集。

据悉,莱斯特的研究人员是“朱诺号”任务的成员,该任务由一个全球天文学家团队组成,他们正在通过即将使用的詹姆斯-韦伯太空望远镜对木星进行观测。此外,莱斯特还在欧洲航天局(ESA)的木星冰卫星探测器(JUICE)的科学和仪器方面发挥着领导作用--该探测器将于2022年发射。

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