美国国家航空航天局的旅行者2号宇宙飞船在进行了8年半的太阳系之旅后,已经准备好迎接另一次挑战。那是1986年1月24日,很快它就会遇到神秘的第七颗行星,冰冷的天王星。

旅行者2号在1986年1月14日接近天王星时拍摄了这张照片。该行星朦胧的蓝色是由于其大气中的甲烷吸收了红色波长的光。
来源:NASA/JPL-Caltech

在接下来的几个小时里,旅行者2号在距天王星云顶50,600英里(81,433公里)的范围内飞行,收集的数据显示出两个新光环、11个新卫星和零下353华氏度(零下214摄氏度)的温度。该数据集仍然是我们迄今为止对天王星进行的唯一近距离测量。

三十年后,科学家重新分析了这些数据,发现了另一个秘密。

整个宇宙物理学界都不知道,34年前旅行者2号飞越了一个等离子体,这是一个巨大的磁泡,可能把天王星的大气层带到了太空。这一发现发表在《地球物理研究快报》(Geophysical Research Letters)上,这一发现提出了有关地球独一无二的磁环境的新问题。

一个诡异而不稳定的磁场

整个太阳系的行星大气都在逃逸到太空中。氢气从金星涌出,加入太阳风(太阳风是一种不断从太阳中逃逸的粒子流)。木星和土星喷射出带电的大气,甚至地球的大气层也在逃逸。(别担心,它还会再存在10亿年左右。)

从人类的时间尺度上来看,这样的影响微乎其微,但如果时间足够长,它可以从根本上改变一个星球的命运。以火星为例。

“火星曾经是一个潮湿的星球,有着厚厚的大气层。”美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的空间物理学家、火星大气与挥发性演化项目(MAVEN)科学家家吉娜·迪布拉克西奥(Gina DiBraccio)说,“随着时间的推移——在经过了漫长的40亿年的大气泄漏后——它演变成了我们今天看到的干燥的星球。”

行星磁场是大气逃逸的动力,磁场既可以帮助也可以阻止这一过程。物理学家们相信磁场可以保护行星,抵御太阳风吹散大气层。但它们也能创造逃逸的机会,当土星与木星的磁场线纠缠在一起时,两者之间的大气层就可能因此而发生大规模的大气逃逸。不管怎样,为了了解大气如何变化,科学家们密切关注磁性。

这是天王星如此神秘的另一个原因。旅行者2号1986年的飞掠揭示了这颗行星的磁场有多么奇怪。

“它的结构,它移动的方式……”迪布拉齐奥说,“天王星确实是独立存在的。”

与我们太阳系中的任何其他行星不同,天王星几乎完全是在它的一侧旋转——就像烤架上的猪一样——每17个小时完成一次旋转。它的磁场轴与自转轴之间的夹角为60度,所以当天王星自转时,它的磁层——由磁场分割的空间——像投掷不良的足球一样摇摆。科学家们仍然不知道如何建模。

显示天王星磁场的GIF动画。黄色箭头指向太阳,浅蓝色箭头指示天王星的磁轴,深蓝色箭头指示天王星的旋转轴。
来源:NASA/Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman

这种奇怪的现象吸引了迪布拉西奥和她的合著者——同为戈达德太空物理学家的丹·格什曼(Dan Gershman)加入到这个项目中来。两人都是一个团队的成员,他们正在制定前往“冰巨星”天王星和海王星的新任务计划,并在寻找需要解决的谜团。30多年前最后一次测量到的天王星的奇怪磁场,似乎是个不错的起点。

因此,他们下载了旅行者2号的磁强计读数,该读数监测了飞船飞行时天王星附近磁场的强度和方向。他们不知道会发现什么,因此比以前的研究放大了更多,每1.92秒绘制一个新的数据点。平滑的线条被锯齿状的尖峰和低谷所取代。那就是他们看到的时候:一个有迷离故事的小锯齿。

你认为那可能是……一个等离子体吗?”格什曼瞥了眼扭曲交缠的线与点,就问迪勃拉西奥。

旅行者2号1986年飞掠天王星的磁强计数据。红线显示的是平均8分钟内的数据,这是旅行者2号之前几项研究使用的时间节奏。在黑线中,同样的数据以1.92秒的时间分辨率绘制出来,显示了等离子体的锯齿状特征。
来源:NASA/Dan Gershman

在旅行者2号飞越天王星时,人们对等离子体知之甚少,但自那以后,等离子体被认为是行星失去质量的重要途径。这些巨大的等离子气泡,或带电的气体,从行星的磁尾部被夹断,磁尾就是行星磁层中被太阳推回的部分,它们就像是无垠宇宙中的风向袋,标示着对垒双方的力量强弱。如果有足够的时间,逃逸的类等离子体可以将离子从行星的大气中吸走,从而从根本上改变其组成。他们曾在地球和其他行星上被观测到,但还没有人在天王星上发现过等离子体。

迪布拉克西奥通过她的处理程序运行了数据,结果显而易见。她说:“我认为它是明确的—气泡逃逸了。”

等离子体逃逸

在旅行者2号45小时的天王星飞行中,迪布拉克西奥和格什曼发现的等离子体只占了60秒。在磁强计的数据中,它表现为一个快速的上下波动。格什曼说:“但是,如果以3D绘制它,则它看起来就像一个圆柱体。”

他们将研究结果与在木星、土星和水星上观察到的等离子体做了比较,估计其圆柱形的长度至少为12.7万英里(20.4万公里),直径约为25万英里(40万公里)。作者相信,像所有行星等离子体一样,它充满了带电粒子-主要是离子化的氢。

当旅行者2飞越它时,等离子体的内部读数暗示了它的起源。尽管一些等离子体均具有扭曲的内部磁场,但迪布拉克西奥和格什曼的却是平滑的闭合的磁环。这样的环状等离子体是由一颗旋转的行星将其部分大气层抛向太空而形成的。格什曼说:“离心力开始起作用,等离子体开始收缩。”根据他们的估计,在天王星的大气质量损失中,这样的等离子体可能占15%到55%,比木星和土星都要大。这可能是天王星向太空释放大气的主要方式。

随着时间的推移,等离子体逃逸是如何改变天王星的?只有一组观测结果,很难说。

“想象一下,如果有一艘宇宙飞船飞过这个房间,试图描绘整个地球的特征。”迪布拉齐奥说,“显然,它不会向你展示任何有关撒哈拉或南极洲的情况。”

但这些发现有助于聚焦有关天王星的新问题。剩下的谜是吸引人的部分原因。“这就是我热爱行星科学的原因,”迪布拉齐奥说,“你总是去你不知道的地方。”

参考:

[1]https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/revisiting-decades-old-voyager-2-data-scientists-find-one-more-secret
[2]https://www.nasa.gov/feature/nasa-completes-study-of-future-ice-giant-mission-concepts
[3]https://voyager.jpl.nasa.gov/galleries/images-voyager-took/uranus/
[4]https://www.nasa.gov/feature/jpl/voyager-mission-celebrates-30-years-since-uranus

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