與地球極光比如何？木星衛星旋轉著錯綜複雜的極光

新研究顯示了木星的旋轉極光，揭示了木星衛星木衛一和木衛三留下的複雜足跡。當木星的衛星圍繞著這顆氣態巨行星運行時，它們與它強大的磁場相互作用，影響著形成於行星兩極的電子極光。哈勃太空望遠鏡拍攝到了四顆伽利略衛星經過時留下的亮點和軌跡——最遠的衛星木衛四足跡今年終於被確定下來。但是哈勃望遠鏡(以及地球)對木星的觀測使得它很難清晰地看到行星的兩極，而且距離也不允許有足夠好的解析度。

在巨大木星上不斷發光的藍色極光，圖片：NASA/ESA/John Clarke (University of Michigan)

因此，科學家們需要一個不同的視角來深入研究這些腳印。美國宇航局的「朱諾」號宇宙飛船進入太空，目前它正在環繞木星運行，研究人員可以近距離觀察這顆氣態巨星。朱諾號Jovian紅外極光繪圖儀(JIRAM)的新圖像顯示，衛星的極光足跡比之前認為的要複雜得多，而且是為各個衛星量身定製的。

漩渦背後的木衛一

當木星的衛星穿過圍繞著它的帶電粒子——等離子體時，研究人員認為等離子體與木星的磁場相互作用，在木星的電子極光中激發出一些特徵。這些極光是肉眼看不到的，但可以通過紅外線和紫外線感測器探測到。每兩個月，朱諾號就會在木星的兩極附近擺動，使朱諾的極光儀器有機會在近一個小時內觀察極光。這項新研究的第一作者、義大利國家天體物理研究所研究員亞歷山德羅·穆拉(Alessandro Mura)說：在2017年9月的8號軌道上，我們決定仔細觀察，非常非常非常接近木衛一的足跡，我們沒有期待任何特別的東西，因為到目前為止沒有特別的理由去期待任何不同於大地點的東西。

在木星的極光中，木衛一的足跡就像馮·卡曼漩渦街(Von Karman vortex street)，這是一種流體通過圓柱形物體流動時形成的圖案。圖片：Caesario de La Rosa Siqueira/Wikimedia Commons

但他們發現令人驚訝的是：木衛一併沒有形成一個大的點，而是形成了一個漩渦，漩渦從足跡的「尾巴」上盤旋而下，就像圓柱形物體穿過流體時形成的漩渦。這一模式在微信經過數百公里後，在每62英里(100公里)左右的交替方向上留下一個斑點，10個或更多的點。Mura指出，這只是在物理上與目前的流體動力學模式相似——研究人員還沒有模型來解釋為什麼木衛一在木星的磁場中旅行會引發這種特殊模式。木衛一是距離木星最近的衛星，它的足跡最為強烈。木衛一離得很近，追蹤從木衛一到木星的磁場是了解磁場的一個非常有力的工具。木星強烈的等離子體場(木衛一似乎對此有貢獻)也在這個印記中起了作用。

當他們研究木衛三足跡時，研究人員也發現了一些不尋常的現象：看到的不是一個點，而是兩個點之間相隔約100公里——一個前所未見的雙重足跡。這一特徵可能反映了衛星獨特之處，只有一個微信有它自己的磁場，那就是木衛三。在木衛三我們看到的不是微信本身與木星的等離子體相互作用，看到了木星磁層與另一個磁層之間的相互作用。木衛一複雜的腳印為研究人員提供了更好地了解月球與木星周圍等離子體相互作用的難得機會，而木衛一的腳印也給了他們一個重要的觀察機會：這是我們第一次通過觀察木衛二在木星上方的投影，獲得了木衛二磁層大小的圖像。

幸運的突破

這張木星上極光的圖像是由哈勃太空望遠鏡在2016年拍攝的紫外觀測和2014年拍攝的這顆行星可見光圖像合成的。圖片：NASA, ESA, and J. Nichols (University of Leicester)

從極光獲取更多的數據——包括分析其他伽利略衛星的足跡——是未來研究的簡單部分。畢竟「朱諾」號已經準備越過木星的兩極，進行更多的軌道運行，為分析提供了大量的機會。但重要的是正在完善我們的目標，因為實際上，這些腳印並不是我們預期的那樣，因為磁場模型需要改進。我們有機會觀察到木衛一腳印，這是非常幸運的，因為我們在第一次在軌道8號軌道上拍攝的時候就發現了它們……很有可能錯過1000公里(600英里)的足跡。現在我們有了更好的模型和更好的理解，可以嘗試擁有更好的圖像。」這些圖像將告訴研究人員更多關於這個巨行星以及經過它磁場的衛星。

博科園-科學科普｜文：Sarah Lewin/Space

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