旅行者2号的新发现：天王星也在“漏气”_风闻

原创：牧夫天文

作者：Miles Hatfield

翻译：张砚斌

校对：王婧彧 王茸 杨伯顺

美工：刘炎成

后台：库特莉亚夫卡 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号的新发现：天王星也“漏气”

旅行者2号在太阳系中遨游八年半了，接下来终于要迎接它的下一个阶段。那天是1986年1月24日，不久之后，旅行者2号将会遇见神奇的第七颗行星，冰冷的天王星。

这张照片是1986年1月14日，旅行者2号接近天王星时拍摄的。朦胧的蓝色是由于天王星大气层中的甲烷吸收了红色波段的光。Credits: NASA/JPL-Caltech

在接下来的几个小时内，旅行者2号飞到了距离天王星云顶上方81433公里的地方收集数据，发现了两个新的行星环，11个新卫星以及测出它的温度为零下214摄氏度。这一组数据依旧是我们目前获得的唯一近距离测量的数据。

三十年之后，科学家重新分析这组数据，发现了一个新的秘密。

整个空间物理圈所不知道的是， 34年前，旅行者2号穿过了一个等离子粒团(一个可能将天王星大气剥离的巨大磁泡)。刊登在《地球物理研究通讯》上的这一发现引发了一系列关于这颗星球独一无二的电磁环境的新问题。

磁场不稳定的怪胎-天王星

整个太阳系的行星大气都在往太空中“漏气”：金星中的氢气喷流加入了太阳风（从太阳中不断放出的粒子流），木星和土星喷出一团团带电的气体，甚至地球的大气都在“漏气”（不用担心，大气在今后的十亿年里还足够稠密）。

在人类短暂的时间尺度中，这种效应还微不足道；但是如果时间足够长，大气逃逸能够从本质上改变行星的命运。一个恰当的例子，就是火星。“火星以前是一个‘穿着’厚厚大气的潮湿星球”，就职于NASA戈达德太空飞行中心的空间物理学家Gina DiBraccio说道，她同时也是火星大气和挥发物演化任务（MAVEN，Mars Atmosphere and Volatile Evolution）的首席科学家。经过四十亿年的“漏气”，“它慢慢的就变成了我们今天看到的干燥的星球。”

大气逃逸是由于行星的磁场导致的，这件事可以说成也磁场败也磁场，因为科学家相信磁场可以保护星球，阻挡太阳风对大气的剥离。但是它们也能够创造逃逸的机会，就像当木星与土星的磁场线变得紊乱的时候，它们的大气便能够趁机逃离了。不管怎样，科学家为了明白大气是如何改变的，把很多注意力放在了磁力上。

这就多了另一个让天王星如此神秘的原因。1986年旅行者2号的飞行揭示了天王星的磁场是多么古怪。

 “它的结构，它运动的方式……” DiBraccio说道，“天王星是真的别具一格。”

不同于太阳系内的其他行星，天王星几乎完美的躺着旋转——像在火叉上的烤猪。每17小时就可以完成一圈自转。它的磁场轴偏离旋转轴60度，所以当天王星旋转的时候，它的磁圈（由磁场开拓的空间）摇晃的就像投得很差的橄榄球。科学家始终不知道如何去模拟它。

动画模式展示磁场。黄色的箭头指向太阳，浅蓝色的箭头代表着天王星磁轴，深蓝颜色的箭头代表着天王星的旋转轴。Credits: NASA/Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman

这个奇怪的现象引起了DiBraccio和她的合著者Dan

Gershman,同时也是戈达德空间物理学家的注意。他们两个人以前都是制定关于“冰巨人”天王星和海王星新任务计划的团队成员，并且一直都在寻找新的宇宙谜团。距离上一次观测有30年的天王星奇怪的磁场，看起来是一个理想的开始。

所以他们下载了旅行者2号的磁强计读数。这些读数记录下了飞行器飞过天王星时的磁场强度和方向。带着对未知的憧憬，他们放大先前的研究，每隔1.92秒就绘制一个新的数据点。平滑的线条变成了锯齿状的上下起伏，仿佛就像说：这是一个有故事的锯齿。 “你觉得这可能是一个等离子粒球吗？” Gershman一边盯着波纹曲线一边问DiBraccio。

旅行者2号1986飞越天王星获得的磁强计数据。这条红色线展示的以8分钟为周期的平均数据。这个八分钟是之前旅行者2号研究所采用的时间节奏。黑色的线表示，同样的数据用1.92秒的更高分辨率绘制的线条，揭示了等离子粒团的锯齿状特征。

Credits: NASA/Dan Gershman

虽然科学家在旅行者2号飞越天王星时还所知甚少，但自那之后等离子粒团已经被公认为行星质量损失的重要方式。这些巨大的等离子泡，或者电离化的气体，把行星磁尾的末端（就是像风向标一样，因为太阳而来回摆动的磁场的一部分）夹断。

只要时间足够，逃逸的等离子粒团就能够把离子从行星的大气中排干，最终改变大气的组成。他们已经观测过地球和其他的行星，但是还没有人探测到天王星的等离子粒团。

DiBraccio 按照自己的流程验证了一遍数据，结果毫无差错。“我认为绝对是这样的（指确实是等离子粒团），” 她说道。

气泡逃逸

DiBraccio 和Gershman 发现的等离子粒团仅仅只占了旅行者围绕天王星飞行2号45小时时长的60秒。它只是磁强计数据中的一个快速的上下波动“但是如果你用3D模型绘制出来，会发现它看起来就像圆柱体，”Gershman说道。

把这些结果和在木星、土星、水星观测的等离子粒团作比较，他们估计这个圆柱形状至少204000公里长，差不多跨越400000公里。和所有的行星等离子粒团一样，它充满了带电粒子，作者觉得大部分都是电离氢。

旅行者2号穿过等离子粒团内部时获得的读数暗示了它的起源。鉴于一些等离子粒团有一个扭曲的内部磁场，DiBraccio和Gershman

观察到了平滑闭合的磁圈。类环状的等离子粒团形成的原因通常是由于旋转的行星向太空中抛出了一些大气。“离心力占据主导，大气被甩出去”Gershman说。根据他们的估算，像这样的等离子粒团可以导致天王星15%到55%的大气质量损失，比木星或土星的比例都大。这很可能是天王星大气逃逸的主要方式。

随着时间推移，等离子粒团逃逸是如何改变天王星的呢？仅靠一组观测数据是很难下结论的。

 “设想如果一艘飞行器只是飞过一间房子而尝试去给整个地球下定义，这显然是不可能告诉你撒哈拉沙漠或者南极洲是怎么样的。” DiBraccio说。

但是这些发现帮助大家专注于这颗行星新的问题。剩下的秘密只是一部分。DiBraccio说“这就是为什么我喜欢行星科学的原因。你会一直去往你所不知道的地方。”

『天文时刻』 牧夫出品

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旅行者2号”探测器

Credit：NASA