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振动在木星的极光中驱动 X 射线耀斑

2021-07-20 16:36          X射线

天空之眼:美国宇航局朱诺号任务和欧空局 XMM-牛顿天文台同时观测木星,帮助解开了木星极光中 X 射线耀斑的谜团。(提供:ESA/NASA/Yao/Dunn)

一个国际天文学家小组发现,木星版本的北极光中高能 X 射线耀斑背后的机制与产生地球极光的机制非常相似。由两个不同的卫星使用同时观测,研究人员共同领导威廉·邓恩在伦敦大学学院和姚中华(音译)在中国社科院的科学确定,这两个进程是由振动在行星磁场驱动-一个现象,可能是普遍即使在行星具有非常不同的磁层。

当火山气体从木星最里面的卫星艾奥喷发时,它们所含的重硫和氧离子在木星周围形成一个环形的等离子体环。从那里,这些粒子逐渐沿着木星的磁场线移动以填充其磁层。最终,一些离子撞击木星的极地大气。它们沉积的大量能量每 27 分钟在木星的极光中产生壮观的、高能量的 X 射线爆发。

由于 X 射线通常只在更极端的环境中产生,例如黑洞或中子星,这些爆发(及其类似发条的规律性)自 40 年前被发现以来一直吸引着天文学家。然而,尽管引起了广泛的兴趣,驱动这种规则 X 射线脉冲的确切机制仍然是个谜。

同时观察

在他们的研究中,Dunn、姚及其同事使用来自两个不同航天器的同时观测来检查脉冲:美国宇航局的朱诺卫星,它绕木星运行并对其磁层进行原位测量;和欧空局的XMM-牛顿天文台,它从行星绕太阳的轨道远程监测行星。通过分析每台仪器 26 小时的观测结果,天文学家确定木星的 X 射线是由这颗行星强烈、快速旋转的磁场中的周期性振动驱动的。

尽管这些振动的来源仍然未知,但研究小组的观察表明,它们将能量传递给了艾欧发射的重离子——基本上允许这些带电粒子沿着木星的磁场线“冲浪”。这会产生规则的高能等离子体波,进而在撞击行星大气时产生高能 X 射线耀斑。

朱诺太空探测器识别出木星磁场的变化

值得注意的是,邓恩和姚的团队发现,虽然这个特定过程似乎是木星独有的,但它与地球磁场中发生的机制惊人地相似,在地球磁场中,更微妙的场线振动产生的等离子波能量更低。这意味着,尽管两个行星系统的耀斑机制在时间、空间和能量尺度上存在几个数量级的差异,但它们最终有一个共同的来源。

通过扩展,天文学家认为这种机制可以在许多不同的行星环境中通用。他们现在希望捕捉到类似的机制在土星、天王星和海王星的磁层中发挥作用,甚至可能是巨大的系外行星。

该研究在《科学进展》中有所描述。

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