国际观察团组装,以解决木星的“能源危机”

木星大气加热

在木星上层大气的红外辉光的艺术印象的背景下,以可见光显示木星。上层大气的亮度与温度相对应,从热到冷,依次是:白色、黄色、亮红色,最后是暗红色。极光是最热的区域,这张照片显示了热量是如何被风从极光带离并引起整个星球的加热的。资料来源:J. O 'Donoghue (JAXA)/Hubble/NASA/ESA/A。西蒙/ J。施密特

从太阳和地球坐在五倍以上的距离,木星预计不会特别温暖。基于太阳光的接收量,在地球的大气层上层的平均温度应为约零下100度华氏温度或者寒冷的零下73度摄氏.相反,测量值飙升到800华氏度(426摄氏度)左右。50年来,这种额外热量的来源一直难以捉摸,导致科学家将这种差异称为地球的“能源危机”。

最近,一个国际小组收集了来自三个天文台的观测结果">美国宇航局的朱诺飞船,凯克天文台上Maunakea在夏威夷,从日本宇宙航空研究开发机构的卫星久木(JAXA) - 探索木星的热刺激的可能来源。

日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的James O 'Donoghue说:“我们发现,木星强烈的极光(太阳系中最强烈的极光)是将整个行星的上层大气加热到令人吃惊的高温的原因。”奥多诺霍在马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心开始了这项研究,并在该杂志上发表了一篇关于这项研究的论文自然

木星的磁场线

木星是在可见光背景下显示与艺术印象的木星上层大气的红外辉光是覆盖,连同磁力线。极光是最热的区域,这张照片显示了热量是如何被风从极光带离并引起整个星球的加热的。资料来源:J. O 'Donoghue (JAXA)/Hubble/NASA/ESA/A。西蒙/ J。施密特

当带电粒子被行星磁场捕获时,就会产生极光。这些螺旋沿着磁场中看不见的力线向地球的磁极旋转,撞击大气中的原子和分子,释放光和能量。在地球上,这导致了五颜六色的光显示,形成了北极光和南极光,也被称为南北光。在木星,从其火山卫星木卫一(Io)喷发出的物质导致了太阳系中最强大的极光,并在木星极地地区的上层大气中产生了巨大的热量。

Aurora可能成为木星神秘能源的来源的想法已经提出,但直到现在,观察到目前为止无法确认或否认这一点。

木星上层大气的全球模型表明,被极光加热并朝向赤道的风将被木星快速旋转驱动的西风压倒并改变方向。这将阻止极光能量逃离极地地区并加热整个大气层。然而,这一新的观测结果表明,这种捕获并没有发生,与赤道风相比,西风可能相对较弱。

高分辨率温度从凯克天文台地图,从久木和朱诺磁场数据,允许团队赶在极光发送这似乎是向热木星的赤道面脉冲的行为相结合。


木星是在可见光范围内为第一显示木星上层大气的红外线发光的一种艺术印象覆之前。该上部气氛层对应的的温度的亮度,从热到冷,顺序如下:白色,黄色,鲜红色,最后,暗红色。的极光是最热的区域和动画示出了如何可以将热由风远离极光和原因行星范围内加热进行。在结束时,实际的数据被添加有温度刻度,这表明在研究中测量所观察到的全球气温。资料来源:J. O 'Donoghue (JAXA)/Hubble/NASA/ESA/A。西蒙/ J。施密特

The team observed Jupiter with the Keck II telescope for five hours on two separate nights in April 2016 and January 2017. Using the Near-Infrared Spectrograph (NIRSPEC) on Keck II, heat from electrically charged hydrogen molecules (H3+ ions) in Jupiter’s atmosphere was traced from the planet’s poles down to the equator. Previous maps of the upper atmospheric temperature were formed using images consisting of only several pixels. That’s not enough resolution to see how the temperature might be changing across the planet, providing few clues as to the origin of the extra heat.

为了改善这种情况,利用凯克II的力量,采取跨星球的面貌,并只包括测量更多的温度测量,在不到百分之五的入账价值不确定性的团队。这需要多年的精心工作,并取得了温度图拥有超过10,000个单独的数据点,最高分辨率为最新。

“We’ve attempted this multiple times with other instruments but with Keck’s NIRSPEC, we were able to measure for the very first time the light from Jupiter all the way to the equator quickly enough that we can then map out the temperature and ionospheric density,” said Tom Stallard, a co-author of the paper at the University of Leicester, Leicester, United Kingdom.

相反,高温只在极光,这将是预期的,如果热量被困在那里靠近两极地区,这些详细的地图显示,在高层大气中的热量被更广泛地分布,随着温度逐渐下降接近赤道.

“我们还透露加热从极光得好远的一个陌生的局部区域 - 不同于任何加热的长条,我们以前见过,”斯托拉德说。“虽然我们不能肯定这个功能是什么,我深信它是热的滚滚浪潮从极光赤道流。”

此外,来自JAXA的久木卫星观测表明,在凯克II温度的观测时间等条件可以产生木星强烈的极光。从绕地球轨道,久木自特派团于2013年推出的观测木星的极光产生磁场的这种长期的监测显示,木星的磁场强烈太阳风的影响;高能粒子流,从太阳发出太阳风携带自己的磁场,当这种满足木星的行星领域,后者被压缩。在凯克II观察时,显示出久木从太阳风的压力在木星是特别高的和场压缩很可能已经创建了一个增强的极光。

最后,在朱诺木星周围轨道上观测提供地球上极光的确切位置。

“朱诺磁场数据与‘地面实况’为极光是在那里为我们提供。此信息不容易从热图,热泄漏掉在许多方向,”奥多诺霍说。“想像一下就像一个海滩:如果热气氛是水,朱诺映射的磁场的海岸线,与Aurora的是海洋,我们发现,水离开了海洋,淹没了土地,和朱诺发现那里是海岸线是帮助我们了解泛滥的程度“。

“这是纯粹的运气,我们捕捉到这种潜在的热脱落事件,补充说:”奥多诺霍。“如果我们想观测到木星上不同的夜晚,当太阳风的压力没有最近一直很高,我们就会错过它!”

该小组将继续对数据进行分析,并产生更多的地图;他们的目标是赶上木星的极光喷涌的另一个热点,这个时候观察它在2-3天的时间,以便它绕着地球他们可以跟踪它的能量。

“我们能观察到其中一个移动的特征吗?”它会显示极光热的流动吗?这种能量流是如何影响我们现在知道的如此复杂的周围磁场的呢?这是一组关于木星电离层区域的令人兴奋的研究问题,五年前,我们认为这是很平常的。”Stallard说。

想了解更多关于这项研究的信息,请看揭秘木星的“能源危机”的背后Revealed。

参考文献:“关于木星全球上层大气加热由极性极光”由J. O'Donoghue的,L.摩尔,T. Bhakyapaibul,H.梅林,T.斯托拉德,J.E P. Connerney和C.道,2021年8月4日,自然
DOI:10.1038 / s41586-021-03706-W

关于NIRSPEC

近红外光谱仪(NIRSPEC)是一种独特的交叉分散的梯定光谱仪,其在高频分辨率下在大范围的红外波长范围内捕获物体的光谱。该仪器通过由IAN MCLEN教授领导的团队建造在UCLA红外实验室,该仪器用于酷星的径向速度研究,恒星和周围的恒星和周围的恒星,行星科学以及许多其他科学计划。第二种模式提供低光谱分辨率,但敏感性高,并且对于远处的星系和非常酷的低质量恒星的研究是流行的。NIRSPEC还可以与Keck II的自适应光学(AO)系统一起使用,以将AO的高空间分辨率的功率与NIRSPEC的高频分辨率相结合。Heising-Simons基金会提供了对该项目的支持。

关于凯克天文台

在凯克天文台的望远镜是其中地球上最科学的生产力。两个10米光学/红外线望远镜顶上Maunakea上夏威夷岛设有一套先进仪器,包括成像器,多对象摄谱仪,高分辨率光谱仪,积分场光谱仪,和世界领先的激光导星自适应光学系统的.有些数据本文呈现的是在凯克天文台,这是一个私人的501(c)3非盈利性组织工作作为加州大学加州技术研究所和美国国家航空和航天局之间的科学合作伙伴获得。天文台是由W. M.凯克基金会的慷慨资助成为可能。作者要认识到并确认了非常显著文化的作用和崇敬的是Maunakea峰会的夏威夷土著社区内一直有。我们非常幸运能有机会从这座山进行观察。

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