天王星周围的“交通堵塞”可能解开其弱辐射带之谜

降法讲顾

詹姆斯·韦伯太空望远镜看到的天王星（图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI）

据美国太空网（Robert Lea）：科学家们可能已经解开了围绕冰巨星天王星及其微弱辐射带的一个挥之不去的谜团。带的弱点可能与行星奇怪的倾斜和不平衡磁场有关；该磁场可能会导致颗粒物在世界各地的“交通堵塞”。

这个谜团可以追溯到1986年1月旅行者2号访问天王星，远在2018年探测器离开太阳系之前。太空船发现天王星的磁场是不对称的，与自转轴倾斜约60°。此外，旅行者2号发现，天王星的辐射带由被磁场捕获的粒子组成，比预测的弱大约100倍。

这项基于旅行者2号数据模拟的新研究表明，这颗冰巨星的这两个奇怪方面是相关的。

“它的磁场是太阳系中独一无二的。大多数行星都有很强的固有磁场，比如地球、木星和土星。它们有一个非常‘传统’的磁场形状，被称为偶极子，”首席作者Matthew Acevski告诉Space.com

Acevski解释说，这项研究突出了天王星的磁不对称性如何扭曲行星质子辐射带的结构，尤其是在旅行者2号经过的区域附近。

Acevski说：“我的假设是，磁不对称性正在扭曲质子辐射带，在行星周围形成辐射带更受压缩的区域，因此强度更强；在其他区域，辐射带更分散，导致强度较弱。”。

“如果旅行者2号飞越辐射带分布更广的区域，这可以解释其观测到的质子辐射带弱于预期。”

太阳系异常

天王星是太阳系中最冷的行星，也是距离太阳第七的行星，在我们行星系的其他世界中很奇怪。这颗冰巨星像宇宙球一样旋转，与轨道平面成97度角向一个方向倾斜。这意味着，当它旋转时，它会“侧向”旋转。它是唯一一颗这样做的太阳系行星。

这种倾斜被认为是在遥远的过去与地球大小的物体碰撞的结果，导致天王星经历了太阳系中最极端的季节，冬季持续21年。天王星也是太阳系中两颗行星之一（另一颗是金星），每84地球年绕太阳旋转一次，与其他所有行星的旋转方向相反。

天王星的宽度大约是地球的四倍，距离太阳的距离大约是地球所在地的19倍，由13个微弱的环和至少28个卫星组成。天王星也有极光，类似于地球的北极光和南光，但由于该行星的倾斜磁场，这些极光不会像在我们的行星木星甚至土星上那样出现在其两极。

就像所有有磁场的行星一样，天王星周围有被捕获的带电粒子，形成辐射带——但为什么这些辐射带看起来如此微弱，五十年来一直是个谜。



1986年旅行者2号宇宙飞船拍摄的天王星图像。是时候去这个陌生寒冷的世界执行新任务了吗？（图片来源：美国国家航空航天局）

该团队的模拟放弃了天王星磁场充当偶极子的想法，而是使用更复杂的四极磁场来复制其不平衡性质。

这表明粒子在通过不同场强的区域时会加速和减速。粒子速度的变化导致它们在某些区域聚集，在其他区域变得更加分散。这种效应只有在模拟中考虑到单个复杂的四极磁场时才会出现，这就是为什么以前从未见过这种效应。

Acevski说：“我们发现天王星的磁不对称性可能导致行星周围质子漂移较慢、更压缩的区域，以及质子漂移较快、更分散的其他区域。”。“这类似于环路上的交通堵塞。当汽车行驶速度较慢时，会导致交通更加密集；如果汽车行驶速度较快，交通就会更加分散。”

Acevski及其同事推测，当旅行者2号造访天王星时，它穿过了这颗冰巨星辐射带的一个薄弱区域。

Acevski说：“我们将旅行者2号的轨迹投影到这个剖面上，发现飞船实际上确实飞行了一个‘快速漂移’区域，这意味着它应该观察到低于正常质子辐射带强度的情况。”。“值得注意的是，我们的粒子模拟显示，这一结果导致了行星周围质子强度约20%的最大变化。”

这意味着该团队的模型无法完全解释旅行者2号观测到的强度低100倍的情况。

Acevski继续说道：“无论是什么主要效应导致了这些弱得多的质子辐射带，都有可能被我们发现的这种效应所加剧。”。“我们对结果感到非常惊讶。看到磁不对称对辐射带结构的影响有多大，真是令人惊讶。这是以前不知道的。”



一位艺术家描绘的旅行者2号在其对天王星的疯狂访问18年后进入星际空间的画面。（图片来源：美国航空航天局/喷气推进实验室加州理工学院）

Acevski指出，他和团队获得的结果有助于为未来的天王星航天器任务提供信息。到目前为止，旅行者2号是唯一一艘造访这颗冰巨星的航天器。这意味着有关世界的直接数据极其有限。

美国国家航空航天局正在计划最快在2030年发射天王星任务。这样的任务可以帮助实验验证这一模拟的结论。

Acevski说：“我们需要验证这些模拟的是旗舰航天器前往天王星的任务，在几年内对该行星进行新的原位测量，而不是像旅行者2号那样只需几个小时。”。“一项新的任务也可以让我们发现我们甚至无法通过模拟预测的新物理现象。

“由于这是一颗具有我们从未见过的磁场的行星，因此完全有可能发现全新的现象，这将拓宽我们对行星科学的理解。”

Acevski当然还没有结束这个奇怪的太阳系世界。对研究人员来说，这个冰巨人是一个特别令人着迷的地方。

Acevski总结道：“天王星对科学提出了一个独特的挑战，我发现应对这个挑战非常有趣。用这么少的数据就能发现多少，这真的很有趣，而我们实际上只是触及了表面。”。“截至今天，研究冰巨星天王星和海王星的人并不多，尽管它们表现出如此奇怪的特征，特别是在磁场中，因此引起人们对可能发生的奇怪现象的关注，这对我来说是一个非常令人兴奋的前景。”

该团队的研究于6月发表在《地球物理研究快报》杂志上。