与地球极光比如何？木星卫星旋转着错综复杂的极光

新研究显示了木星的旋转极光，揭示了木星卫星木卫一和木卫三留下的复杂足迹。当木星的卫星围绕着这颗气态巨行星运行时，它们与它强大的磁场相互作用，影响着形成于行星两极的电子极光。哈勃太空望远镜拍摄到了四颗伽利略卫星经过时留下的亮点和轨迹——最远的卫星木卫四足迹今年终于被确定下来。但是哈勃望远镜(以及地球)对木星的观测使得它很难清晰地看到行星的两极，而且距离也不允许有足够好的分辨率。

在巨大木星上不断发光的蓝色极光，图片：NASA/ESA/John Clarke (University of Michigan)

因此，科学家们需要一个不同的视角来深入研究这些脚印。美国宇航局的“朱诺”号宇宙飞船进入太空，目前它正在环绕木星运行，研究人员可以近距离观察这颗气态巨星。朱诺号Jovian红外极光绘图仪(JIRAM)的新图像显示，卫星的极光足迹比之前认为的要复杂得多，而且是为各个卫星量身定制的。

漩涡背后的木卫一

当木星的卫星穿过围绕着它的带电粒子——等离子体时，研究人员认为等离子体与木星的磁场相互作用，在木星的电子极光中激发出一些特征。这些极光是肉眼看不到的，但可以通过红外线和紫外线感测器探测到。每两个月，朱诺号就会在木星的两极附近摆动，使朱诺的极光仪器有机会在近一个小时内观察极光。这项新研究的第一作者、意大利国家天体物理研究所研究员亚历山德罗·穆拉(Alessandro Mura)说：在2017年9月的8号轨道上，我们决定仔细观察，非常非常非常接近木卫一的足迹，我们没有期待任何特别的东西，因为到目前为止没有特别的理由去期待任何不同于大地点的东西。

在木星的极光中，木卫一的足迹就像冯·卡曼漩涡街(Von Karman vortex street)，这是一种流体通过圆柱形物体流动时形成的图案。图片：Caesario de La Rosa Siqueira/Wikimedia Commons

但他们发现令人惊讶的是：木卫一并没有形成一个大的点，而是形成了一个漩涡，漩涡从足迹的“尾巴”上盘旋而下，就像圆柱形物体穿过流体时形成的漩涡。这一模式在微信经过数百公里后，在每62英里(100公里)左右的交替方向上留下一个斑点，10个或更多的点。Mura指出，这只是在物理上与目前的流体动力学模式相似——研究人员还没有模型来解释为什么木卫一在木星的磁场中旅行会引发这种特殊模式。木卫一是距离木星最近的卫星，它的足迹最为强烈。木卫一离得很近，追踪从木卫一到木星的磁场是了解磁场的一个非常有力的工具。木星强烈的等离子体场(木卫一似乎对此有贡献)也在这个印记中起了作用。

当他们研究木卫三足迹时，研究人员也发现了一些不寻常的现象：看到的不是一个点，而是两个点之间相隔约100公里——一个前所未见的双重足迹。这一特征可能反映了卫星独特之处，只有一个微信有它自己的磁场，那就是木卫三。在木卫三我们看到的不是微信本身与木星的等离子体相互作用，看到了木星磁层与另一个磁层之间的相互作用。木卫一复杂的脚印为研究人员提供了更好地了解月球与木星周围等离子体相互作用的难得机会，而木卫一的脚印也给了他们一个重要的观察机会：这是我们第一次通过观察木卫二在木星上方的投影，获得了木卫二磁层大小的图像。

幸运的突破

这张木星上极光的图像是由哈勃太空望远镜在2016年拍摄的紫外观测和2014年拍摄的这颗行星可见光图像合成的。图片：NASA, ESA, and J. Nichols (University of Leicester)

从极光获取更多的数据——包括分析其他伽利略卫星的足迹——是未来研究的简单部分。毕竟“朱诺”号已经准备越过木星的两极，进行更多的轨道运行，为分析提供了大量的机会。但重要的是正在完善我们的目标，因为实际上，这些脚印并不是我们预期的那样，因为磁场模型需要改进。我们有机会观察到木卫一脚印，这是非常幸运的，因为我们在第一次在轨道8号轨道上拍摄的时候就发现了它们……很有可能错过1000公里(600英里)的足迹。现在我们有了更好的模型和更好的理解，可以尝试拥有更好的图像。”这些图像将告诉研究人员更多关于这个巨行星以及经过它磁场的卫星。

博科园-科学科普｜文：Sarah Lewin/Space

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