研究人員或已破解天王星輻射帶之謎

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原作：Matthew Williams

翻譯：張雨荷

編排：喻思敏

后臺(tái)：李子琦

https://www.universetoday.com/articles/researchers-at-swri-may-have-solved-the-mystery-of-uranus-radiation-belts

圖注：旅行者2號(hào)在 1986 年飛掠天王星時(shí)，看到的這顆行星幾乎是一顆毫無特征的灰綠色球體。

圖片來源：NASA/JPL-Caltech

太陽(yáng)系中的兩顆“冰巨星”——天王星和海王星——依然是至今人類探索最少的行星。由于它們與地球距離遙遠(yuǎn)，人類首次研究它們的探測(cè)器是旅行者2號(hào)，而這也是迄今為止唯一一次飛掠它們的探測(cè)任務(wù)。旅行者2號(hào)揭示的信息引發(fā)了許多關(guān)于這兩顆行星及其衛(wèi)星系統(tǒng)的謎團(tuán)。例如，在飛掠天王星時(shí)，探測(cè)器記錄到一個(gè)能量遠(yuǎn)高于預(yù)期的強(qiáng)電子輻射帶。

自那以后，科學(xué)家研究了數(shù)千顆太陽(yáng)系外的氣態(tài)巨行星，并與天王星進(jìn)行對(duì)比，這些對(duì)比反而進(jìn)一步加深了這個(gè)謎團(tuán)：天王星系統(tǒng)為何能捕獲如此多的高能電子？

在一項(xiàng)最新研究中，美國(guó)西南研究院（SwRI）的科學(xué)家提出了一個(gè)新假說：旅行者2號(hào)所觀測(cè)到的現(xiàn)象，可能是由于太陽(yáng)風(fēng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。就像地球會(huì)受到太陽(yáng)風(fēng)暴的影響一樣，他們認(rèn)為旅行者2號(hào)飛掠天王星時(shí)，正好有一個(gè) “共轉(zhuǎn)相互作用區(qū)”經(jīng)過該系統(tǒng)。

這項(xiàng)研究由 SwRI 空間科學(xué)部首席科學(xué)家、空間物理學(xué)家 Robert C. Allen 博士領(lǐng)導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)成員包括科學(xué)家 Sarah Vines 和 George C. Ho。相關(guān)論文《解開天王星電子輻射帶之謎：利用地球輻射帶知識(shí)重新審視旅行者2號(hào)的觀測(cè)結(jié)果》近期發(fā)表于 《地球物理研究快報(bào)》（Geophysical Research Letters）。

圖注：快速太陽(yáng)風(fēng)結(jié)構(gòu)的空間天氣效應(yīng)示意圖：第一幅圖展示了快速太陽(yáng)風(fēng)結(jié)構(gòu)本身，第二幅圖展示了該結(jié)構(gòu)在 2019 年引發(fā)地球上的強(qiáng)烈太陽(yáng)風(fēng)暴，第三幅圖展示了旅行者2號(hào)在 1986 年飛掠天王星時(shí)觀測(cè)到的相應(yīng)環(huán)境條件。

圖片來源：Allen, R. 等 (2025)

到目前為止，旅行者2號(hào)提供了關(guān)于天王星輻射環(huán)境的唯一直接測(cè)量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)導(dǎo)致科學(xué)界普遍認(rèn)為：天王星系統(tǒng)擁有較弱的離子輻射帶和非常強(qiáng)的電子輻射帶。然而，研究團(tuán)隊(duì)重新分析數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器取得這些觀測(cè)記錄時(shí)，太陽(yáng)風(fēng)處于異常狀態(tài)，并非背景的穩(wěn)定環(huán)境。他們認(rèn)為，當(dāng)時(shí)有一個(gè)短暫的太陽(yáng)風(fēng)事件經(jīng)過天王星，而這一事件引發(fā)了整個(gè)旅行者2號(hào)任務(wù)期間最強(qiáng)的高頻波動(dòng)信號(hào)。

在當(dāng)時(shí)，科學(xué)家認(rèn)為這種強(qiáng)波動(dòng)會(huì)使電子散逸并落入天王星大氣中。但幾十年來，對(duì)地球輻射帶的研究已揭示，在特定條件下，這些波動(dòng)反而可以加速電子，使其獲得額外能量。為此，研究團(tuán)隊(duì)將旅行者2號(hào)的觀測(cè)結(jié)果與地球上觀測(cè)到的類似事件進(jìn)行了比較，并發(fā)現(xiàn)了其中的相似之處。

“自旅行者2號(hào)飛掠天王星以來，科學(xué)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。我們決定采用對(duì)比研究的方法，分析旅行者2號(hào)的數(shù)據(jù)，并將其與我們此后幾十年在地球上的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，” Allen博士在新聞稿中說道。 “2019年，地球經(jīng)歷了一次類似的事件，導(dǎo)致輻射帶電子的加速運(yùn)動(dòng)異常劇烈，” Vines博士補(bǔ)充道。“如果類似的機(jī)制也作用于天王星系統(tǒng)，這就能解釋旅行者2號(hào)為何記錄到這些超乎預(yù)期的高能電子。”

他們的分析表明，太陽(yáng)風(fēng)與天王星磁層的相互作用可能驅(qū)動(dòng)了高頻波，這些高頻波能夠?qū)㈦娮蛹铀俚浇咏馑俚哪芰俊Ｑ芯坎粌H解釋了一個(gè)長(zhǎng)期未解的觀測(cè)謎團(tuán)，還引出了更多關(guān)于高能波動(dòng)背后物理機(jī)制的問題，以及導(dǎo)致這些過程的完整事件鏈。Allen 博士強(qiáng)調(diào)：“這再次證明我們需要一項(xiàng)專門前往天王星的任務(wù)。因?yàn)檠芯拷Y(jié)果對(duì)理解類似系統(tǒng)，例如海王星，也具有重要的啟示意義。”

責(zé)任編輯：陳瑋菁

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