在通過卡西尼號獲取的合成圖片上，我們(men) 可以清晰地看出土星的極光（圖片來源：NASA）

在很長一段時間內(nei) ，人們(men) 都相信，遠離太陽的木星和土星是極寒之地。但隨著探測器接近它們(men) ，我們(men) 對這些巨行星的認識有了巨大的轉變：事實上，它們(men) 的表麵十分炎熱，大氣層的溫度可達數百攝氏度。是什麽(me) 樣的未知來源在加熱這些行星？這個(ge) 困擾科學家們(men) 50年的“能源問題”，終於(yu) 在最近有了答案。

撰文 | 羅賓·喬(qiao) 治·安德魯斯（Robin George Andrews）

翻譯 | 白德凡

審校 | 吳非

由於(yu) 遠離太陽，木星、土星這兩(liang) 個(ge) 氣態巨行星，以及天王星、海王星這兩(liang) 個(ge) 冰質巨行星，長久以來被人們(men) 認為(wei) 是極寒之地。然而當20世紀七八十年代，當美國航空航天局（NASA）的“旅行者”號探測器依次經過這4顆行星時，科學家們(men) 發現它們(men) 熱得簡直就像在發燒——這就好比你從(cong) 冰箱中找出了火堆一樣令人震驚。

來自地麵望遠鏡以及“伽利略”號、“卡西尼”號探測器的後續觀測表明，這幾顆行星在整個(ge) 行星範圍內(nei) 的高溫一直持續著。它們(men) “發燒”得非常厲害，例如，木星的低緯度地區按理說應該冷至-110℃，可事實上，那裏的大氣在325℃的高溫下炙烤著。莫非是某種未知的熱源在背後搗鬼？這個(ge) 熱源如何做到不僅(jin) 加熱了行星上的單個(ge) 地點，還加熱了整個(ge) 高層大氣？

日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的行星天文學家詹姆斯·奧多諾休（James O'Donoghue）說，50年來，科學家一直對這個(ge) “能源問題”困惑不已。現在，終於(yu) 有兩(liang) 篇論文揭示了土星和木星的熱量從(cong) 何而來：熱量來自行星南極和北極的光，或者說，極光。

這些結果來自對這兩(liang) 顆氣態行星高層大氣的詳細觀測。卡西尼號探測器在墜入土星的過程中測量了大氣溫度；木星的溫度信息則是從(cong) 位於(yu) 夏威夷一座火山頂上的望遠鏡的觀測數據拚接得來的。兩(liang) 組觀測數據都表明，在行星磁極下方的極光區附近，大氣溫度最高；往赤道接近，溫度則會(hui) 下降。很明顯，極光帶來了熱量。而且就像散熱器一樣，熱量隨著距離的增加而減少。

“能源問題”的解決(jue) 可能會(hui) 帶來深遠影響。從(cong) 我們(men) 的太陽係到其他星係，繞著恒星運轉的行星並不總能保留住大氣。隨著時間推移，氣態的包層可能被摧毀，整個(ge) 行星隻剩下一層不宜居的外殼。研究人員希望能將這類行星與(yu) 宜居的類地行星區分開來，而一旦要這樣做，“我們(men) 需要知道的一個(ge) 主要參數就是外層大氣的溫度，因為(wei) 外層大氣是氣體(ti) 向太空逸散的地方。”亞(ya) 利桑那大學的研究人員紮拉·布朗（Zarah Brown）說。

外星極光

我們(men) 對地球的極光尚未完全了解，但基本原理是清楚的。

太陽將大量磁場和高能粒子射入太空。當這些噴流（更熟知的名字是太陽風）到達地球時，它們(men) 會(hui) 與(yu) 地球的“磁泡”——也就是磁層——相互作用。這些高能粒子隨後螺旋下降到地球的南北磁極。在那裏，它們(men) 會(hui) 撞擊高層大氣中的氣體(ti) 原子和分子。這些撞擊短暫地激發了氣體(ti) ，使得氣體(ti) 發出可見的閃光。

一般來說，產(chan) 生極光需要三個(ge) 條件：高能粒子源、磁場和大氣。這三個(ge) 條件木星和土星都具備，但它們(men) 的極光和地球上的不太一樣。

地球的磁場源自地球深處液態鎳鐵合金的攪動。但是氣態行星沒有液態合金內(nei) 核。相反，氣態行星的強大引力將大量液態氫擠壓在其外核中，其擠壓強度大到足以讓氫原子釋放出電子。這個(ge) 過程將氫變成一種磁性金屬。

由這種金屬氫構成的旋渦非常巨大，它為(wei) 氣態行星生成的磁場讓地球相形見絀。奧多諾休說，木星的磁層是“太陽係中最大的結構”，其尾部向外延伸至土星，甚至更遠。

氣態行星也無法依靠太陽風提供高能粒子或等離子體(ti) ，因為(wei) 太陽風會(hui) 隨著距離的增加而消散。作為(wei) 替代，木星和土星依靠的是火山活動。

木星的大部分等離子體(ti) 來自木衛一，木衛一是科學界已知的火山活動最活躍的天體(ti) 。木衛一近乎持續不斷的岩漿噴發將大量火山物質拋向太空；在那裏，火山物質在太陽光照射下受到電激發，然後濺落到木星上。土星的大部分等離子體(ti) 來自土衛二，這是一顆表麵像鏡子一樣的冰凍衛星，它向太空噴射出寒冷的水狀物質，十分壯觀。

土衛二向太空中噴射水冰和蒸汽“噴泉”（圖片來源：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute）

這些等離子體(ti) 進入行星廣闊的磁層，得到加速後進入兩(liang) 極。在那裏，等離子體(ti) 中的帶電粒子與(yu) 大氣中的氣體(ti) 分子發生碰撞。

土星的極光主要發出紫外線，而木星的極光同時發出紫外線和紅外線。但是光的產(chan) 生過程與(yu) 熱的產(chan) 生過程不同，後一種情況下，“一切都與(yu) 摩擦有關(guan) ”，奧多諾休說。

等離子體(ti) 沿著磁力線流向行星的磁極。這些磁力線像卷須一樣延伸進遙遠的太空。磁力線和等離子體(ti) 流隨著行星旋轉，但有時跟不上行星的轉速，比如木星每10小時就能自轉一圈。當這些等離子體(ti) 流滯後於(yu) 木星的自轉時，木星強烈的西風就會(hui) 吹過它們(men) 。風與(yu) 緩慢移動的等離子體(ti) 流發生摩擦，摩擦產(chan) 生了熱量。對木星來說，這個(ge) 熱量可能是它從(cong) 太陽那裏獲得的熱量的125倍。“這有點瘋狂。”奧多諾休說。

因此，天文學家一直想知道極光是否是這些行星“發燒”的原因也就不足為(wei) 奇了。“幾十年來，大家都知道極光中蘊藏著大量能量。”波士頓大學高級研究員盧克·穆爾（Luke Moore）說。但是，為(wei) 了把懷疑變成肯定，天文學家需要一張圖——具體(ti) 來說，是一幅氣態和冰質行星高層大氣的熱圖。有了這張圖，他們(men) 可以檢驗最高溫區域能否與(yu) 極光區重疊，以及這些熱量是否會(hui) 擴散到整個(ge) 星球。

第一張這樣的圖誕生於(yu) 卡西尼號的謝幕。2017年4月，在繞土星軌道運行13年後，NASA的卡西尼號探測器受命做了一件不同尋常的事情：在繞行土星22圈的過程中，探測器在土星和土星環之間來回俯衝(chong) 。這最後一幕結束於(yu) 2017年9月15日，那天探測器在土星的雲(yun) 層中燃燒，卡西尼號以前所未有的方式近距離觀察土星世界。

當卡西尼號靠近土星時，它透過土星大氣層看向遠處明亮的恒星。這些恒星發出的光看上去隨著大氣密度而變化，而氣體(ti) 的密度和溫度是相關(guan) 的。所以研究人員使用了這種被稱恒星掩星的方法，綜合幾十個(ge) 測量結果，繪製出土星高層大氣白天和黑夜的詳細熱圖。

去年發表在《自然·天文學》上的熱圖顯示，大氣層溫度在極光周圍有一個(ge) 峰值，而從(cong) 兩(liang) 極到赤道，溫度則在平緩下降。

這樣看上去，極光似乎是熱量的成因。但是，“如果我們(men) 關(guan) 於(yu) 土星能量再分配的理論是正確的，它也理應適用於(yu) 木星。”土星研究的主要作者布朗說。

根據奧多諾休和同事的工作，現在我們(men) 知道，情況確實如此。

將木星高層大氣的熱量歸因於(yu) 極光也需要一張熱圖。但繪製這樣一幅圖絕非易事。這顆行星混亂(luan) 的高層大氣每周都在變化，你不能隻挑一個(ge) 晚上在兩(liang) 極附近觀測，然後幾周後回來和赤道附近的觀測結果進行比較。隨著時間的推移，天空將發生巨大的變化，任何熱量流動的痕跡都將消失。

因此，研究人員需要在相對短暫的時間內(nei) 繪製的全木星的熱圖，它反映出幾小時內(nei) 的熱量流動。

奧多諾休、穆爾和同事們(men) 轉向位於(yu) 休眠的冒納凱阿火山頂上的凱克天文台。他們(men) 在2016年4月14日和2017年1月25日的兩(liang) 個(ge) 晚上在紅外光下觀察了木星，每次持續5小時，以繪製木星白晝麵的高分辨率熱圖。這兩(liang) 幅地圖都清楚地顯示，極光區附近的溫度達到了驚人的730℃。隨著接近赤道，溫度峰值逐漸下降，但仍然達到了矚目的325℃。

這項已經被《自然》雜誌接收的研究結果，與(yu) 卡西尼號在土星上的觀測一致。這個(ge) 研究結果被認為(wei) 是極光可以解釋能源問題的有力證據。威爾士阿伯裏斯特威斯大學的空間物理學研究者羅茜·約翰遜（Rosie Johnson）說:“這是一個(ge) 重大的進步，人們(men) 發現了極光的加熱效應。”她沒有參與(yu) 這兩(liang) 項研究。

英國蘭(lan) 開斯特大學的空間和行星物理學研究者利西亞(ya) ·雷（Licia Ray）也沒有參與(yu) 這兩(liang) 項研究。她稱讚了土星研究的嚴(yan) 謹數據，但木星的論文並不能令她感到信服。“他們(men) 隻使用了兩(liang) 個(ge) 晚上的數據，我認為(wei) 這是個(ge) 問題。”她說。盡管有所疑慮，但她認為(wei) “木星的溫度梯度結果可能會(hui) 成立，因為(wei) 類似的結果已經在土星上出現了”，她說。

木衛一是太陽係中火山活動最活躍的地方，圖為(wei) 伽利略號探測器捕捉到的火山噴發。（圖片來源：NASA/JPL/DLR）

穆爾說，質疑觀測數據不夠多是合理的，因為(wei) 木星是非常活躍的地方。隨後，研究人員得到了更多的木星觀測數據，目前正在進行處理。

不管怎樣，大多數獨立研究人員似乎相信，這些行星“發燒”應當歸因於(yu) 極光。“這些論文非常好地證實了我們(men) 的懷疑確實正在發生：能量會(hui) 從(cong) 極光區流失到到低緯度地區。”英國萊斯特大學的行星科學家利·弗萊徹（Leigh Fletcher）說，他沒有參與(yu) 這項工作。不過新問題是：這是如何發生的？

奇怪的西風

大多數大氣環流模型都難以實現熱量從(cong) 極光區到赤道的轉移。然而熱圖顯示，這些巨大的障礙正在以某種方式被克服。

卡西尼號的觀察啟發了一種潛在的解決(jue) 方案。根據來自卡西尼號的數據，研究人員發現，對土星低層大氣的擾動有時會(hui) 導致該層遷移到高層大氣。這種倒置可能會(hui) 擾亂(luan) 和減緩高層大氣裏的強烈西風——這也許足以讓產(chan) 生自極光的熱量流失。

理論上，這種機製也適用於(yu) 木星。但是氣態行星的高層大氣缺少雲(yun) ——雲(yun) 是氣體(ti) 運動的標誌——這使得研究那裏的風“極其困難”，弗萊徹說。目前，能源問題的這一部分仍是無法解釋的謎。

在最近的觀測中，研究人員已經看到了這樣的溫度激增。據觀測，大約在2017年1月25日，當太陽風活躍度較高的時候，已經很熱的高層大氣的溫度急劇上升。該團隊同時發現了一個(ge) 奇怪的高溫結構從(cong) 極光區向赤道移動。而這些現象在2016年4月14日觀測期間沒有出現，當時太陽風活動相對平靜。

該研究小組推測，2017年年初爆發的太陽風活動可能擠壓了木星的磁層。但其他因素也可能在起作用，雷推測木衛一火山活動的增加可能是另一種解釋。由於(yu) 沒有更多的觀測，無法確定是哪一個(ge) 因素，奧多諾休說。

盡管存在這些揮之不去的困惑，但極光被確定為(wei) 木星和土星的熱量來源，這一結論極大地鞏固了我們(men) 對這兩(liang) 顆行星的理解。然而，天王星和海王星仍然籠罩在未知的迷霧中。它們(men) 有著不一樣的大氣、磁場和自轉行為(wei) ，這意味著適用於(yu) 氣態行星的方法可能不適用於(yu) 冰質行星。天王星和海王星離我們(men) 如此之遠，以至於(yu) 我們(men) 很難用地球上的望遠鏡看清它們(men) 的細節，而且在可見的未來，似乎不會(hui) 有其他探測器造訪它們(men) 。直到那時，這兩(liang) 個(ge) 遙遠的星球仍然是陌生的世界，染著我們(men) 尚未了解的“行星熱”。

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