旅行者2號的新發現：天王星也在“漏氣”_風聞

原創：牧夫天文

作者：Miles Hatfield

翻譯：張硯斌

校對：王婧彧 王茸 楊伯順

美工：劉炎成

後台：庫特莉亞夫卡 李子琦

原文地址：http://nasa.gov/feature/goddard/2020/revisiting-decades-old-voyager-2-data-scientists-find-one-more-secret

旅行者2號的新發現：天王星也“漏氣”

旅行者2號在太陽系中遨遊八年半了，接下來終於要迎接它的下一個階段。那天是1986年1月24日，不久之後，旅行者2號將會遇見神奇的第七顆行星，冰冷的天王星。

這張照片是1986年1月14日，旅行者2號接近天王星時拍攝的。朦朧的藍色是由於天王星大氣層中的甲烷吸收了紅色波段的光。Credits: NASA/JPL-Caltech

在接下來的幾個小時內，旅行者2號飛到了距離天王星雲頂上方81433公里的地方收集數據，發現了兩個新的行星環，11個新衞星以及測出它的温度為零下214攝氏度。這一組數據依舊是我們目前獲得的唯一近距離測量的數據。

三十年之後，科學家重新分析這組數據，發現了一個新的秘密。

整個空間物理圈所不知道的是， 34年前，旅行者2號穿過了一個等離子粒團(一個可能將天王星大氣剝離的巨大磁泡)。刊登在《地球物理研究通訊》上的這一發現引發了一系列關於這顆星球獨一無二的電磁環境的新問題。

磁場不穩定的怪胎-天王星

整個太陽系的行星大氣都在往太空中“漏氣”：金星中的氫氣噴流加入了太陽風（從太陽中不斷放出的粒子流），木星和土星噴出一團團帶電的氣體，甚至地球的大氣都在“漏氣”（不用擔心，大氣在今後的十億年裏還足夠稠密）。

在人類短暫的時間尺度中，這種效應還微不足道；但是如果時間足夠長，大氣逃逸能夠從本質上改變行星的命運。一個恰當的例子，就是火星。“火星以前是一個‘穿着’厚厚大氣的潮濕星球”，就職於NASA戈達德太空飛行中心的空間物理學家Gina DiBraccio説道，她同時也是火星大氣和揮發物演化任務（MAVEN，Mars Atmosphere and Volatile Evolution）的首席科學家。經過四十億年的“漏氣”，“它慢慢的就變成了我們今天看到的乾燥的星球。”

大氣逃逸是由於行星的磁場導致的，這件事可以説成也磁場敗也磁場，因為科學家相信磁場可以保護星球，阻擋太陽風對大氣的剝離。但是它們也能夠創造逃逸的機會，就像當木星與土星的磁場線變得紊亂的時候，它們的大氣便能夠趁機逃離了。不管怎樣，科學家為了明白大氣是如何改變的，把很多注意力放在了磁力上。

這就多了另一個讓天王星如此神秘的原因。1986年旅行者2號的飛行揭示了天王星的磁場是多麼古怪。

 “它的結構，它運動的方式……” DiBraccio説道，“天王星是真的別具一格。”

不同於太陽系內的其他行星，天王星幾乎完美的躺着旋轉——像在火叉上的烤豬。每17小時就可以完成一圈自轉。它的磁場軸偏離旋轉軸60度，所以當天王星旋轉的時候，它的磁圈（由磁場開拓的空間）搖晃的就像投得很差的橄欖球。科學家始終不知道如何去模擬它。

動畫模式展示磁場。黃色的箭頭指向太陽，淺藍色的箭頭代表着天王星磁軸，深藍顏色的箭頭代表着天王星的旋轉軸。Credits: NASA/Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman

這個奇怪的現象引起了DiBraccio和她的合著者Dan

Gershman,同時也是戈達德空間物理學家的注意。他們兩個人以前都是制定關於“冰巨人”天王星和海王星新任務計劃的團隊成員，並且一直都在尋找新的宇宙謎團。距離上一次觀測有30年的天王星奇怪的磁場，看起來是一個理想的開始。

所以他們下載了旅行者2號的磁強計讀數。這些讀數記錄下了飛行器飛過天王星時的磁場強度和方向。帶着對未知的憧憬，他們放大先前的研究，每隔1.92秒就繪製一個新的數據點。平滑的線條變成了鋸齒狀的上下起伏，彷彿就像説：這是一個有故事的鋸齒。 “你覺得這可能是一個等離子粒球嗎？” Gershman一邊盯着波紋曲線一邊問DiBraccio。

旅行者2號1986飛越天王星獲得的磁強計數據。這條紅色線展示的以8分鐘為週期的平均數據。這個八分鐘是之前旅行者2號研究所採用的時間節奏。黑色的線表示，同樣的數據用1.92秒的更高分辨率繪製的線條，揭示了等離子粒團的鋸齒狀特徵。

Credits: NASA/Dan Gershman

雖然科學家在旅行者2號飛越天王星時還所知甚少，但自那之後等離子粒團已經被公認為行星質量損失的重要方式。這些巨大的等離子泡，或者電離化的氣體，把行星磁尾的末端（就是像風向標一樣，因為太陽而來回擺動的磁場的一部分）夾斷。

只要時間足夠，逃逸的等離子粒團就能夠把離子從行星的大氣中排幹，最終改變大氣的組成。他們已經觀測過地球和其他的行星，但是還沒有人探測到天王星的等離子粒團。

DiBraccio 按照自己的流程驗證了一遍數據，結果毫無差錯。“我認為絕對是這樣的（指確實是等離子粒團），” 她説道。

氣泡逃逸

DiBraccio 和Gershman 發現的等離子粒團僅僅只佔了旅行者圍繞天王星飛行2號45小時時長的60秒。它只是磁強計數據中的一個快速的上下波動“但是如果你用3D模型繪製出來，會發現它看起來就像圓柱體，”Gershman説道。

把這些結果和在木星、土星、水星觀測的等離子粒團作比較，他們估計這個圓柱形狀至少204000公里長，差不多跨越400000公里。和所有的行星等離子粒團一樣，它充滿了帶電粒子，作者覺得大部分都是電離氫。

旅行者2號穿過等離子粒團內部時獲得的讀數暗示了它的起源。鑑於一些等離子粒團有一個扭曲的內部磁場，DiBraccio和Gershman

觀察到了平滑閉合的磁圈。類環狀的等離子粒團形成的原因通常是由於旋轉的行星向太空中拋出了一些大氣。“離心力佔據主導，大氣被甩出去”Gershman説。根據他們的估算，像這樣的等離子粒團可以導致天王星15%到55%的大氣質量損失，比木星或土星的比例都大。這很可能是天王星大氣逃逸的主要方式。

隨着時間推移，等離子粒團逃逸是如何改變天王星的呢？僅靠一組觀測數據是很難下結論的。

 “設想如果一艘飛行器只是飛過一間房子而嘗試去給整個地球下定義，這顯然是不可能告訴你撒哈拉沙漠或者南極洲是怎麼樣的。” DiBraccio説。

但是這些發現幫助大家專注於這顆行星新的問題。剩下的秘密只是一部分。DiBraccio説“這就是為什麼我喜歡行星科學的原因。你會一直去往你所不知道的地方。”

『天文時刻』 牧夫出品

微信公眾號：astronomycn

旅行者2號”探測器

Credit：NASA