周一 · 知古通今 | 周二 · 牧夫专栏 周三 · 太空探索 | 周四 · 观测指南 周五 · 深空探测 | 周六 · 茶余星话 | 周日 · 视频天象 翻译：李远飞 校译：liufeng 编排：媛子 后台：库特莉亚夫卡 李子琦 胡永葳 原文链接： https://www.jpl.nasa.gov/news/40-year-mystery-solved-source-of-jupiters-x-ray-flares-uncovered https://www.sciencedaily.com/releases/2021/07/210709193609.htm  在这张图片中，神秘的紫光展示了木星极光中发射的X射线。该X射线图像是在2007年由美国航天局（NASA）的钱德拉太空望远镜探测得到的。它们被叠加在由NASA哈勃太空望远镜拍摄的木星可见光图像上。木星是唯一一个被检测到存在X射线极光的气态巨行星。 图源: (X光) NASA/CXC/SwRI/R.Gladstone et al.; (可见光) NASA/ESA/Hubble Heritage (AURA/STScI) 直到最近，科学家们才破解了一个关于木星强烈X射线极光的陈年谜题。由中国科学院和伦敦大学学院领导的研究小组发现，这些X射线暴是由木星磁场线的周期性振动引发的。这些振动产生了等离子体（电离气体）波，使重离子粒子沿着磁场线 "冲浪"，直到它们砸入行星的大气层，以X射线的形式释放出能量。 行星天文学家将NASA绕木星运行的朱诺号探测器（Juno）的测量结果与欧洲空间局（ESA）地球轨道上的XMM牛顿望远镜的数据结合起来，解开了一个长达40年关于木星异常X射线极光起源的谜团。有史以来第一次，他们看到了这整个机制是如何运作的：这些产生X射线的带电原子，或离子在木星的磁场电磁波上 "冲浪"，直到它们撞上这个气体巨行星的大气层并释放出X射线。 有关该研究的论文于7月9日被发表在《科学进展》杂志上，有兴趣的同学可以访问以下链接阅读这篇论文： 期刊网址： https://advances.sciencemag.org/content/7/28/eabf0851 摘要： 木星快速旋转的强磁场提供了一个天然的实验室，是了解高能等离子体动力学的关键。壮观的X射线极光耀斑是在磁层发生高能活动的一个特征，而且是木星独有的。自从40年前发现木星X射线耀斑以来，其机理一直是未知的。本文中我们同时使用了木星探测器和天基望远镜观测数据，它们揭示了产生木星X射线耀斑的过程，显示出与地球极光惊人的相似性。我们观察到了行星尺度的电磁波影响电磁离子回旋波，周期性地导致重离子沉淀并产生木星的X射线脉冲。我们的发现表明，尽管时间、空间和能量尺度上有数量级的不同，但所有行星系统中的离子极光都有共同的产生机制。 我们已经在太阳系中的七颗行星检测到了极光。这其中一些“灯光秀”是人眼可见的；而至于其他的“灯光秀”，我们只有用专门的望远镜在其所在的波长下才能看到。电磁波的波长越短，它们的能量就越高，需要更高能的产生机制。木星拥有太阳系中最强大的极光，也是四颗巨行星中唯一一颗拥有X射线极光的行星。  木星南（图右）北（图左）极的极光，图中紫色显示了X射线极光所出现的位置。 图源：X射线：NASA/CXC/UCL/W.Dunn et al, 可见光: 南极:NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Gerald Eichstädt /Seán Doran 北极:NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS 自从四十年前木星的X射线极光被发现以来，由于不清楚发出这样极光所需的大量能量是如何产生的，行星天文学家们一直为此深深着迷。科学家们知道这些令人惊讶的木星极光是由高速进入木星大气层的离子引发的，但是直到最近，他们都不理解首先这些离子是如何进入大气层的。 在地球上，极光通常只出现在两个磁极周围的一个高纬度地区内，即纬度65至80度之间，这个区域被称为极光带（Auroral Zone）。超过80度时极光就会消失，因为地球磁场线不再闭合，而是作为开放场线离开地球，与太阳风中的磁场相连。太阳风就是由太阳喷出的高速离子体带电粒子流。在这种情况下，木星和土星的高纬度极地地区也不应该发出大量极光。 然而，木星的X射线极光与众不同。它们是脉冲式的，存在于主极光带以上更靠近两级的地区，而且北极的极光往往与南极的极光不同。这些都是闭合磁场的典型特征——行星的磁场线从一极离开，又在另一极与行星重新连接。所有具有磁场的行星都有开放和闭合的磁场部分。 研究这一现象的尧中华博士（中国科学院地质与地球物理研究所）转向计算机模拟，发现脉动的X射线极光可能与从木星内部产生的闭合磁场有关，这些磁场在返回木星内部之前可以一直延伸到数百万英里外的太空中。但是如何证明这个模型是准确的呢？   木星外围磁场，未按实际比例显示，仅作图示。 图源：NASA/CXC/M.Weiss  尧中华和他的团队又转向了朱诺号和XMM牛顿望远镜在2017年7月16日至17日获得的数据。在这两天的时间里，XMM牛顿望远镜对木星进行了26个小时的连续观测，并看到X射线极光每27分钟脉冲一次。与此同时，朱诺号一直在木星的晨侧区域上方的62至68个木星半径（约440万至480万公里）之间行驶旅行。这位于木星的磁层，正是模拟表明对触发脉动很重要的区域。因此他们搜索了同一时期朱诺号的数据，寻找以相同速率发生的任何磁过程。如果磁层中有什么也是27分钟左右就变化一次，那它肯定与周期性的X射线极光有关。 他们发现，木星磁场的波动引起了脉冲式X射线极光。磁场的外边界直接受到太阳风粒子的撞击并被压缩。这些压缩加热了被困在木星广阔磁场中的离子，而这些离子离木星的大气层有数百万英里远。这引发了一种叫做电磁离子回旋波（EMIC）的现象。在磁场的引导下，离子乘着 EMIC 波穿越数百万英里的空间，最终撞上了行星的大气层并触发 X 射线极光。  天文学家们第一次看到了木星磁场是如何被压缩的，这使得困在磁场内的粒子被电离并沿着磁场线加速进入木星大气层，激发木星的X射线极光。图源：ESA/NASA/Yao/Dunn 这些撞击大气层的带电离子来自于木卫一上巨大火山喷向太空的气体。这种火山气体由于在木星附近的环境中发生碰撞而电离（其原子被剥夺了电子），形成一个环绕木星的等离子体甜甜圈结构。 伦敦大学学院穆拉德空间科学实验室的威廉·邓恩，也是该论文的共同作者说："我们在朱诺号的数据中看到的是这个美丽的一连串事件关系。我们看到磁场被压缩，我们看到 EMIC 波被触发，我们看到离子，然后我们看到离子脉冲沿着场线传播。而几分钟之后，XMM牛顿望远镜就记录下了一阵X射线发射。” 现在，木星中高能X射线极光产生机制中缺失的部分已经首次被确定，它为下一步的研究开辟了大量可能性。共同第一作者尧中华博士说："类似的过程可能发生在土星、天王星、海王星周围，也可能发生在系外行星上，有不同种类的带电粒子在'冲浪'。"例如，在木星，磁场充满了来自卫星木卫一上的火山释放的硫和氧离子。在土星，土卫二将水冰喷射到太空中，使土星的磁场充满了水团离子。  木星显示出与其极光相关的强烈的X射线辐射（图左为钱德拉望远镜X射线木星图像）。图右示意图说明了木星异常频繁并壮观的极光活动是如何产生的。木星强大的、快速旋转的磁场（浅蓝色线条）在木星周围的空间产生了强大的电场。被困在木星磁场中的带电粒子（白点）不断被加速（金色粒子）进入极地上空的大气层，因此木星上几乎总是活跃着极光。观测时间。17小时，2003年2月24-26日 图源：X光: NASA/CXC/MSFC/R.Elsner et al.; 图右示意图: CXC/M.Weiss 共同作者Graziella Branduardi-Raymont教授（伦敦大学学院穆拉德空间科学实验室）说："X射线通常是由黑洞和中子星等极其剧烈的现象产生的，所以单纯的行星也能产生X射线似乎很奇怪。“ "我们可能永远无法访问黑洞，因为它们超出了现有太空旅行技术的能力范围，但木星就在我们家门口。随着朱诺号卫星进入木星轨道，天文学家现在有一个绝好的机会来近距离研究这一个能产生X射线的环境。" The end 责任编辑：王延昕 牧夫新媒体编辑部 『天文湿刻』 牧夫出品 微信公众号：astronomycn  在这张2021年6月拍摄的照片中，国际空间站在靠近澳大利亚西部的地球上空约270英里处环绕运行，太阳的光芒在印度洋上方闪耀。空间站每90分钟以超过17000英里每小时的速度绕地球运行一圈。 图源：NASA  谢谢阅读 |
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