來自英國諾森比亞大學的研究團隊借助目前最先進的詹姆斯·韋布太空望遠鏡(JWST),為一個困擾行星科學界數十年的難題給出了關鍵答案:為什么土星的自轉速度會因測量方式不同而看上去“在變”?
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最新發表在《地球物理研究雜志:空間物理》上的研究首次繪制出土星極光區域的溫度與帶電粒子分布細節圖像,顯示這一現象源于由土星極光驅動的、持續自我維持的反饋系統,從而在觀測數據中制造出“自轉率變化”的錯覺。
幾十年來,土星的異常行為一直令天文學家困惑。 以“卡西尼”號為代表的探測器在2004年前后取得的數據曾顯示,土星的自轉周期似乎會隨時間推移發生變化,這一結果與傳統物理認知相沖突——行星整體的自轉本應在長時間尺度上保持穩定。 2021年,由諾森比亞大學行星天文學教授湯姆·斯托拉德(Tom Stallard)領銜的一項研究給出重要線索:真正變化的并非行星本身的轉速,而是高層大氣中的高速風場,這些風在上層大氣中產生電流,進而影響極光信號,讓基于極光電磁波的“自轉測量”看起來仿佛在變。
然而,這一解釋本身又帶來了新的問題:如果是高空風驅動電流,那么這些風一開始是如何被“點燃”和維持的?
最新的JWST觀測給出了缺失的一塊拼圖。 斯托拉德團隊聯合英國和美國多家機構,利用JWST持續監測了土星北極的極光區——類似地球的北極光——覆蓋了完整的一個“土星日”,獲得了前所未有時空分辨率的觀測數據。 研究人員重點分析了土星上層大氣中一種名為三氫陽離子(H??)分子的紅外輻射,這種分子是溫度變化的天然“探針”,可用于反演大氣加熱狀況和粒子密度分布。
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此前地基及軌道觀測對溫度的測量不確定度約達50攝氏度,大致與研究者試圖分辨的溫度起伏幅度相當,只能對極區大范圍進行平均處理。 JWST的數據將這一精度提高了約一個數量級,使科學家首次能夠在極光區分辨出細致的局部加熱與冷卻結構。
觀測結果與十多年前建立的數值模型高度吻合,但前提是將主要熱源精確放置在極光沉降入大氣的區域,也就是帶電粒子沿磁力線“砸向”上層大氣的那一帶。 這說明土星極光不僅是壯觀的光學景象,更是強有力的局部能量源:極光粒子沉降在特定高度范圍內沉積能量,使局部大氣溫度升高,從而驅動高空風場。 這些風又會在行星磁層與大氣的交界區域中激發電流,電流反過來為極光提供能量,使極光長期維持并繼續加熱大氣,形成一個“極光—加熱—風—電流—極光”的閉合循環。
斯托拉德將這一過程形象地比喻為“一臺行星級熱泵”:極光為大氣加熱,大氣驅動風,風生電流,而電流又反哺極光,系統自給自足、周而復始運轉。 正是這一穩定運轉的反饋系統,讓基于極光電磁信號推算的“自轉速率”隨時間出現漂移,看上去就像土星本身的自轉在緩慢變化。
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這項研究的意義并不止于解釋土星的“變速自轉”疑案。 結果表明,土星大氣層與其磁層之間存在緊密耦合:大氣過程可以向外驅動電流和能量,改變磁層環境,而磁層中的能量和粒子又能再度沉降,將能量輸送回大氣。 這種雙向能量和動量交換機制,可能是土星這種異常信號能夠長期保持穩定的關鍵,也提示在其他具備強磁場與大氣層的行星(包括氣態巨行星甚至系外行星)上,可能同樣存在尚未被充分認識的大氣—空間環境聯動過程。
斯托拉德表示,這一成果改變了我們理解行星大氣的方式:如果行星大氣狀態能向外驅動電流,進而改變周圍空間環境,那么在研究其他行星乃至系外行星的高層大氣與平流層時,或許會發現迄今尚未預料到的交互現象。 相關成果以《JWST/NIRSpec 揭示土星可變磁層自轉率的大氣驅動機制》為題發表于《地球物理研究雜志:空間物理》,研究獲得英國科學與技術設施委員會等機構資助。
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