在通過卡西尼號獲取的合成圖片上，我們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(nèi)，人們都相信，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，我們對這些巨行星的認識有了巨大的轉(zhuǎn)變：事實上，它們的表面十分炎熱，大氣層的溫度可達數(shù)百攝氏度。是什么樣的未知來源在加熱這些行星？這個困擾科學(xué)家們50年的“能源問題”，終于在最近有了答案。

撰文 | 羅賓·喬治·安德魯斯（Robin George Andrews）

翻譯 | 白德凡

審校 | 吳非

由于遠離太陽，木星、土星這兩個氣態(tài)巨行星，以及天王星、海王星這兩個冰質(zhì)巨行星，長久以來被人們認為是極寒之地。然而當(dāng)20世紀七八十年代，當(dāng)美國航空航天局（NASA）的“旅行者”號探測器依次經(jīng)過這4顆行星時，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)它們熱得簡直就像在發(fā)燒——這就好比你從冰箱中找出了火堆一樣令人震驚。

來自地面望遠鏡以及“伽利略”號、“卡西尼”號探測器的后續(xù)觀測表明，這幾顆行星在整個行星范圍內(nèi)的高溫一直持續(xù)著。它們“發(fā)燒”得非常厲害，例如，木星的低緯度地區(qū)按理說應(yīng)該冷至-110℃，可事實上，那里的大氣在325℃的高溫下炙烤著。莫非是某種未知的熱源在背后搗鬼？這個熱源如何做到不僅加熱了行星上的單個地點，還加熱了整個高層大氣？

日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）的行星天文學(xué)家詹姆斯·奧多諾休（James O'Donoghue）說，50年來，科學(xué)家一直對這個“能源問題”困惑不已。現(xiàn)在，終于有兩篇論文揭示了土星和木星的熱量從何而來：熱量來自行星南極和北極的光，或者說，極光。

這些結(jié)果來自對這兩顆氣態(tài)行星高層大氣的詳細觀測?？ㄎ髂崽柼綔y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位于夏威夷一座火山頂上的望遠鏡的觀測數(shù)據(jù)拼接得來的。兩組觀測數(shù)據(jù)都表明，在行星磁極下方的極光區(qū)附近，大氣溫度最高；往赤道接近，溫度則會下降。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”的解決可能會帶來深遠影響。從我們的太陽系到其他星系，繞著恒星運轉(zhuǎn)的行星并不總能保留住大氣。隨著時間推移，氣態(tài)的包層可能被摧毀，整個行星只剩下一層不宜居的外殼。研究人員希望能將這類行星與宜居的類地行星區(qū)分開來，而一旦要這樣做，“我們需要知道的一個主要參數(shù)就是外層大氣的溫度，因為外層大氣是氣體向太空逸散的地方?！眮喞Ｄ谴髮W(xué)的研究人員扎拉·布朗（Zarah Brown）說。

外星極光

我們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(dāng)這些噴流（更熟知的名字是太陽風(fēng)）到達地球時，它們會與地球的“磁泡”——也就是磁層——相互作用。這些高能粒子隨后螺旋下降到地球的南北磁極。在那里，它們會撞擊高層大氣中的氣體原子和分子。這些撞擊短暫地激發(fā)了氣體，使得氣體發(fā)出可見的閃光。

一般來說，產(chǎn)生極光需要三個條件：高能粒子源、磁場和大氣。這三個條件木星和土星都具備，但它們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(tài)鎳鐵合金的攪動。但是氣態(tài)行星沒有液態(tài)合金內(nèi)核。相反，氣態(tài)行星的強大引力將大量液態(tài)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。這個過程將氫變成一種磁性金屬。

由這種金屬氫構(gòu)成的旋渦非常巨大，它為氣態(tài)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“太陽系中最大的結(jié)構(gòu)”，其尾部向外延伸至土星，甚至更遠。

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

木星的大部分等離子體來自木衛(wèi)一，木衛(wèi)一是科學(xué)界已知的火山活動最活躍的天體。木衛(wèi)一近乎持續(xù)不斷的巖漿噴發(fā)將大量火山物質(zhì)拋向太空；在那里，火山物質(zhì)在太陽光照射下受到電激發(fā)，然后濺落到木星上。土星的大部分等離子體來自土衛(wèi)二，這是一顆表面像鏡子一樣的冰凍衛(wèi)星，它向太空噴射出寒冷的水狀物質(zhì)，十分壯觀。

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

這些等離子體進入行星廣闊的磁層，得到加速后進入兩極。在那里，等離子體中的帶電粒子與大氣中的氣體分子發(fā)生碰撞。

土星的極光主要發(fā)出紫外線，而木星的極光同時發(fā)出紫外線和紅外線。但是光的產(chǎn)生過程與熱的產(chǎn)生過程不同，后一種情況下，“一切都與摩擦有關(guān)”，奧多諾休說。

等離子體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。磁力線和等離子體流隨著行星旋轉(zhuǎn)，但有時跟不上行星的轉(zhuǎn)速，比如木星每10小時就能自轉(zhuǎn)一圈。當(dāng)這些等離子體流滯后于木星的自轉(zhuǎn)時，木星強烈的西風(fēng)就會吹過它們。風(fēng)與緩慢移動的等離子體流發(fā)生摩擦，摩擦產(chǎn)生了熱量。對木星來說，這個熱量可能是它從太陽那里獲得的熱量的125倍?！斑@有點瘋狂。”奧多諾休說。

因此，天文學(xué)家一直想知道極光是否是這些行星“發(fā)燒”的原因也就不足為奇了?！皫资陙恚蠹叶贾罉O光中蘊藏著大量能量。”波士頓大學(xué)高級研究員盧克·穆爾（Luke Moore）說。但是，為了把懷疑變成肯定，天文學(xué)家需要一張圖——具體來說，是一幅氣態(tài)和冰質(zhì)行星高層大氣的熱圖。有了這張圖，他們可以檢驗最高溫區(qū)域能否與極光區(qū)重疊，以及這些熱量是否會擴散到整個星球。

第一張這樣的圖誕生于卡西尼號的謝幕。2017年4月，在繞土星軌道運行13年后，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(huán)之間來回俯沖。這最后一幕結(jié)束于2017年9月15日，那天探測器在土星的云層中燃燒，卡西尼號以前所未有的方式近距離觀察土星世界。

當(dāng)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(fā)出的光看上去隨著大氣密度而變化，而氣體的密度和溫度是相關(guān)的。所以研究人員使用了這種被稱恒星掩星的方法，綜合幾十個測量結(jié)果，繪制出土星高層大氣白天和黑夜的詳細熱圖。

去年發(fā)表在《自然·天文學(xué)》上的熱圖顯示，大氣層溫度在極光周圍有一個峰值，而從兩極到赤道，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，“如果我們關(guān)于土星能量再分配的理論是正確的，它也理應(yīng)適用于木星。”土星研究的主要作者布朗說。

根據(jù)奧多諾休和同事的工作，現(xiàn)在我們知道，情況確實如此。

將木星高層大氣的熱量歸因于極光也需要一張熱圖。但繪制這樣一幅圖絕非易事。這顆行星混亂的高層大氣每周都在變化，你不能只挑一個晚上在兩極附近觀測，然后幾周后回來和赤道附近的觀測結(jié)果進行比較。隨著時間的推移，天空將發(fā)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(nèi)繪制的全木星的熱圖，它反映出幾小時內(nèi)的熱量流動。

奧多諾休、穆爾和同事們轉(zhuǎn)向位于休眠的冒納凱阿火山頂上的凱克天文臺。他們在2016年4月14日和2017年1月25日的兩個晚上在紅外光下觀察了木星，每次持續(xù)5小時，以繪制木星白晝面的高分辨率熱圖。這兩幅地圖都清楚地顯示，極光區(qū)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(jīng)被《自然》雜志接收的研究結(jié)果，與卡西尼號在土星上的觀測一致。這個研究結(jié)果被認為是極光可以解釋能源問題的有力證據(jù)。威爾士阿伯里斯特威斯大學(xué)的空間物理學(xué)研究者羅茜·約翰遜（Rosie Johnson）說:“這是一個重大的進步，人們發(fā)現(xiàn)了極光的加熱效應(yīng)?！彼龥]有參與這兩項研究。

英國蘭開斯特大學(xué)的空間和行星物理學(xué)研究者利西亞·雷（Licia Ray）也沒有參與這兩項研究。她稱贊了土星研究的嚴謹數(shù)據(jù)，但木星的論文并不能令她感到信服?！八麄冎皇褂昧藘蓚€晚上的數(shù)據(jù)，我認為這是個問題?！彼f。盡管有所疑慮，但她認為“木星的溫度梯度結(jié)果可能會成立，因為類似的結(jié)果已經(jīng)在土星上出現(xiàn)了”，她說。

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

穆爾說，質(zhì)疑觀測數(shù)據(jù)不夠多是合理的，因為木星是非?；钴S的地方。隨后，研究人員得到了更多的木星觀測數(shù)據(jù)，目前正在進行處理。

不管怎樣，大多數(shù)獨立研究人員似乎相信，這些行星“發(fā)燒”應(yīng)當(dāng)歸因于極光。“這些論文非常好地證實了我們的懷疑確實正在發(fā)生：能量會從極光區(qū)流失到到低緯度地區(qū)?！庇R斯特大學(xué)的行星科學(xué)家利·弗萊徹（Leigh Fletcher）說，他沒有參與這項工作。不過新問題是：這是如何發(fā)生的？

奇怪的西風(fēng)

大多數(shù)大氣環(huán)流模型都難以實現(xiàn)熱量從極光區(qū)到赤道的轉(zhuǎn)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(fā)了一種潛在的解決方案。根據(jù)來自卡西尼號的數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)，對土星低層大氣的擾動有時會導(dǎo)致該層遷移到高層大氣。這種倒置可能會擾亂和減緩高層大氣里的強烈西風(fēng)——這也許足以讓產(chǎn)生自極光的熱量流失。

理論上，這種機制也適用于木星。但是氣態(tài)行星的高層大氣缺少云——云是氣體運動的標(biāo)志——這使得研究那里的風(fēng)“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(jīng)看到了這樣的溫度激增。據(jù)觀測，大約在2017年1月25日，當(dāng)太陽風(fēng)活躍度較高的時候，已經(jīng)很熱的高層大氣的溫度急劇上升。該團隊同時發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的高溫結(jié)構(gòu)從極光區(qū)向赤道移動。而這些現(xiàn)象在2016年4月14日觀測期間沒有出現(xiàn)，當(dāng)時太陽風(fēng)活動相對平靜。

該研究小組推測，2017年年初爆發(fā)的太陽風(fēng)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(wèi)一火山活動的增加可能是另一種解釋。由于沒有更多的觀測，無法確定是哪一個因素，奧多諾休說。

盡管存在這些揮之不去的困惑，但極光被確定為木星和土星的熱量來源，這一結(jié)論極大地鞏固了我們對這兩顆行星的理解。然而，天王星和海王星仍然籠罩在未知的迷霧中。它們有著不一樣的大氣、磁場和自轉(zhuǎn)行為，這意味著適用于氣態(tài)行星的方法可能不適用于冰質(zhì)行星。天王星和海王星離我們?nèi)绱酥h，以至于我們很難用地球上的望遠鏡看清它們的細節(jié)，而且在可見的未來，似乎不會有其他探測器造訪它們。直到那時，這兩個遙遠的星球仍然是陌生的世界，染著我們尚未了解的“行星熱”。

原文鏈接：

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

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