一个美丽的现象，造就了太阳系内的50年之谜

在通过卡西尼号获取的合成图片上，我们可以清晰地看出土星的极光（图片来源：NASA）

在很长一段时间内，人们都相信，远离太阳的木星和土星是极寒之地。但随着探测器接近它们，我们对这些巨行星的认识有了巨大的转变：事实上，它们的表面十分炎热，大气层的温度可达数百摄氏度。是什么样的未知来源在加热这些行星？这个困扰科学家们50年的“能源问题”，终于在最近有了答案。

撰文 | 罗宾·乔治·安德鲁斯（Robin George Andrews）

翻译 | 白德凡

审校 | 吴非

由于远离太阳，木星、土星这两个气态巨行星，以及天王星、海王星这两个冰质巨行星，长久以来被人们认为是极寒之地。然而当20世纪七八十年代，当美国航空航天局（NASA）的“旅行者”号探测器依次经过这4颗行星时，科学家们发现它们热得简直就像在发烧——这就好比你从冰箱中找出了火堆一样令人震惊。

来自地面望远镜以及“伽利略”号、“卡西尼”号探测器的后续观测表明，这几颗行星在整个行星范围内的高温一直持续着。它们“发烧”得非常厉害，例如，木星的低纬度地区按理说应该冷至-110℃，可事实上，那里的大气在325℃的高温下炙烤着。莫非是某种未知的热源在背后捣鬼？这个热源如何做到不仅加热了行星上的单个地点，还加热了整个高层大气？

日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的行星天文学家詹姆斯·奥多诺休（James O'Donoghue）说，50年来，科学家一直对这个“能源问题”困惑不已。现在，终于有两篇论文揭示了土星和木星的热量从何而来：热量来自行星南极和北极的光，或者说，极光。

这些结果来自对这两颗气态行星高层大气的详细观测。卡西尼号探测器在坠入土星的过程中测量了大气温度；木星的温度信息则是从位于夏威夷一座火山顶上的望远镜的观测数据拼接得来的。两组观测数据都表明，在行星磁极下方的极光区附近，大气温度最高；往赤道接近，温度则会下降。很明显，极光带来了热量。而且就像散热器一样，热量随着距离的增加而减少。

“能源问题”的解决可能会带来深远影响。从我们的太阳系到其他星系，绕着恒星运转的行星并不总能保留住大气。随着时间推移，气态的包层可能被摧毁，整个行星只剩下一层不宜居的外壳。研究人员希望能将这类行星与宜居的类地行星区分开来，而一旦要这样做，“我们需要知道的一个主要参数就是外层大气的温度，因为外层大气是气体向太空逸散的地方。”亚利桑那大学的研究人员扎拉·布朗（Zarah Brown）说。

外星极光

我们对地球的极光尚未完全了解，但基本原理是清楚的。

太阳将大量磁场和高能粒子射入太空。当这些喷流（更熟知的名字是太阳风）到达地球时，它们会与地球的“磁泡”——也就是磁层——相互作用。这些高能粒子随后螺旋下降到地球的南北磁极。在那里，它们会撞击高层大气中的气体原子和分子。这些撞击短暂地激发了气体，使得气体发出可见的闪光。

一般来说，产生极光需要三个条件：高能粒子源、磁场和大气。这三个条件木星和土星都具备，但它们的极光和地球上的不太一样。

地球的磁场源自地球深处液态镍铁合金的搅动。但是气态行星没有液态合金内核。相反，气态行星的强大引力将大量液态氢挤压在其外核中，其挤压强度大到足以让氢原子释放出电子。这个过程将氢变成一种磁性金属。

由这种金属氢构成的旋涡非常巨大，它为气态行星生成的磁场让地球相形见绌。奥多诺休说，木星的磁层是“太阳系中最大的结构”，其尾部向外延伸至土星，甚至更远。

气态行星也无法依靠太阳风提供高能粒子或等离子体，因为太阳风会随着距离的增加而消散。作为替代，木星和土星依靠的是火山活动。

木星的大部分等离子体来自木卫一，木卫一是科学界已知的火山活动最活跃的天体。木卫一近乎持续不断的岩浆喷发将大量火山物质抛向太空；在那里，火山物质在太阳光照射下受到电激发，然后溅落到木星上。土星的大部分等离子体来自土卫二，这是一颗表面像镜子一样的冰冻卫星，它向太空喷射出寒冷的水状物质，十分壮观。

土卫二向太空中喷射水冰和蒸汽“喷泉”（图片来源：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute）

这些等离子体进入行星广阔的磁层，得到加速后进入两极。在那里，等离子体中的带电粒子与大气中的气体分子发生碰撞。

土星的极光主要发出紫外线，而木星的极光同时发出紫外线和红外线。但是光的产生过程与热的产生过程不同，后一种情况下，“一切都与摩擦有关”，奥多诺休说。

等离子体沿着磁力线流向行星的磁极。这些磁力线像卷须一样延伸进遥远的太空。磁力线和等离子体流随着行星旋转，但有时跟不上行星的转速，比如木星每10小时就能自转一圈。当这些等离子体流滞后于木星的自转时，木星强烈的西风就会吹过它们。风与缓慢移动的等离子体流发生摩擦，摩擦产生了热量。对木星来说，这个热量可能是它从太阳那里获得的热量的125倍。“这有点疯狂。”奥多诺休说。

因此，天文学家一直想知道极光是否是这些行星“发烧”的原因也就不足为奇了。“几十年来，大家都知道极光中蕴藏着大量能量。”波士顿大学高级研究员卢克·穆尔（Luke Moore）说。但是，为了把怀疑变成肯定，天文学家需要一张图——具体来说，是一幅气态和冰质行星高层大气的热图。有了这张图，他们可以检验最高温区域能否与极光区重叠，以及这些热量是否会扩散到整个星球。

第一张这样的图诞生于卡西尼号的谢幕。2017年4月，在绕土星轨道运行13年后，NASA的卡西尼号探测器受命做了一件不同寻常的事情：在绕行土星22圈的过程中，探测器在土星和土星环之间来回俯冲。这最后一幕结束于2017年9月15日，那天探测器在土星的云层中燃烧，卡西尼号以前所未有的方式近距离观察土星世界。

当卡西尼号靠近土星时，它透过土星大气层看向远处明亮的恒星。这些恒星发出的光看上去随着大气密度而变化，而气体的密度和温度是相关的。所以研究人员使用了这种被称恒星掩星的方法，综合几十个测量结果，绘制出土星高层大气白天和黑夜的详细热图。

去年发表在《自然·天文学》上的热图显示，大气层温度在极光周围有一个峰值，而从两极到赤道，温度则在平缓下降。

这样看上去，极光似乎是热量的成因。但是，“如果我们关于土星能量再分配的理论是正确的，它也理应适用于木星。”土星研究的主要作者布朗说。

根据奥多诺休和同事的工作，现在我们知道，情况确实如此。

将木星高层大气的热量归因于极光也需要一张热图。但绘制这样一幅图绝非易事。这颗行星混乱的高层大气每周都在变化，你不能只挑一个晚上在两极附近观测，然后几周后回来和赤道附近的观测结果进行比较。随着时间的推移，天空将发生巨大的变化，任何热量流动的痕迹都将消失。

因此，研究人员需要在相对短暂的时间内绘制的全木星的热图，它反映出几小时内的热量流动。

奥多诺休、穆尔和同事们转向位于休眠的冒纳凯阿火山顶上的凯克天文台。他们在2016年4月14日和2017年1月25日的两个晚上在红外光下观察了木星，每次持续5小时，以绘制木星白昼面的高分辨率热图。这两幅地图都清楚地显示，极光区附近的温度达到了惊人的730℃。随着接近赤道，温度峰值逐渐下降，但仍然达到了瞩目的325℃。

这项已经被《自然》杂志接收的研究结果，与卡西尼号在土星上的观测一致。这个研究结果被认为是极光可以解释能源问题的有力证据。威尔士阿伯里斯特威斯大学的空间物理学研究者罗茜·约翰逊（Rosie Johnson）说:“这是一个重大的进步，人们发现了极光的加热效应。”她没有参与这两项研究。

英国兰开斯特大学的空间和行星物理学研究者利西亚·雷（Licia Ray）也没有参与这两项研究。她称赞了土星研究的严谨数据，但木星的论文并不能令她感到信服。“他们只使用了两个晚上的数据，我认为这是个问题。”她说。尽管有所疑虑，但她认为“木星的温度梯度结果可能会成立，因为类似的结果已经在土星上出现了”，她说。

木卫一是太阳系中火山活动最活跃的地方，图为伽利略号探测器捕捉到的火山喷发。（图片来源：NASA/JPL/DLR）

穆尔说，质疑观测数据不够多是合理的，因为木星是非常活跃的地方。随后，研究人员得到了更多的木星观测数据，目前正在进行处理。

不管怎样，大多数独立研究人员似乎相信，这些行星“发烧”应当归因于极光。“这些论文非常好地证实了我们的怀疑确实正在发生：能量会从极光区流失到到低纬度地区。”英国莱斯特大学的行星科学家利·弗莱彻（Leigh Fletcher）说，他没有参与这项工作。不过新问题是：这是如何发生的？

奇怪的西风

大多数大气环流模型都难以实现热量从极光区到赤道的转移。然而热图显示，这些巨大的障碍正在以某种方式被克服。

卡西尼号的观察启发了一种潜在的解决方案。根据来自卡西尼号的数据，研究人员发现，对土星低层大气的扰动有时会导致该层迁移到高层大气。这种倒置可能会扰乱和减缓高层大气里的强烈西风——这也许足以让产生自极光的热量流失。

理论上，这种机制也适用于木星。但是气态行星的高层大气缺少云——云是气体运动的标志——这使得研究那里的风“极其困难”，弗莱彻说。目前，能源问题的这一部分仍是无法解释的谜。

在最近的观测中，研究人员已经看到了这样的温度激增。据观测，大约在2017年1月25日，当太阳风活跃度较高的时候，已经很热的高层大气的温度急剧上升。该团队同时发现了一个奇怪的高温结构从极光区向赤道移动。而这些现象在2016年4月14日观测期间没有出现，当时太阳风活动相对平静。

该研究小组推测，2017年年初爆发的太阳风活动可能挤压了木星的磁层。但其他因素也可能在起作用，雷推测木卫一火山活动的增加可能是另一种解释。由于没有更多的观测，无法确定是哪一个因素，奥多诺休说。

尽管存在这些挥之不去的困惑，但极光被确定为木星和土星的热量来源，这一结论极大地巩固了我们对这两颗行星的理解。然而，天王星和海王星仍然笼罩在未知的迷雾中。它们有着不一样的大气、磁场和自转行为，这意味着适用于气态行星的方法可能不适用于冰质行星。天王星和海王星离我们如此之远，以至于我们很难用地球上的望远镜看清它们的细节，而且在可见的未来，似乎不会有其他探测器造访它们。直到那时，这两个遥远的星球仍然是陌生的世界，染着我们尚未了解的“行星热”。

原文链接：

https://www.quantamagazine.org/cassini-data-solves-jupiter-and-saturns-energy-mystery-20210622/

《环球科学》