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【星空美图】舞动的精灵——太阳系中其他行星的极光①

来源:光明网2019-12-13 15:16

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  极光让地球上的人们看到了大自然的色彩,也认识到了宇宙的奇妙,但你知道吗?极光不是地球独有的,木星、土星、火星等行星都拥有奇幻的极光,那么究竟谁的最美丽呢?一起了解下太阳系中其他行星的极光。

  极光不只在地球上出现,太阳系内的其他具有大气或磁场的行星上也会有极光出现。旅行者2号探测器拍摄到的许多行星照片也验证了地球之外的其他行星存在极光的事实。极光是由电子这样的带电粒子流引起的,这些粒子流有不同的来源,例如太阳风、行星电离层和卫星火山。它们被强磁场捕获,并被传到上层大气中,在那里它们与气体粒子(如氧气或氮气)的相互作用引起了壮观的光脉冲,也就是极光。让我们来看看科学家们捕捉到的这些除地球之外其他行星的极光吧。

  木星

  木星极光和地球极光的产生原理相似,磁场将太阳释放的带电粒子汇集到两极。当这些粒子撞击大气时,电子会暂时从现有的气体分子中离开。电场力将这些电子吸引回来,当电子重新组合以形成中性分子时,极光就产生了。木星是太阳系中体积最大的行星,它的磁场以惊人的速度旋转——10小时就可旋转一周,同时在两极周围产生1000万伏的电压。科学家们指出,木星极光无论是在规模上,还是在强度上都超过地球上同类现象的数百倍之多。美国的“旅行者1”号探测器1979就曾首次观测到了木星两极出现的极光现象。

【星空美图】舞动的精灵——太阳系中其他行星的极光①

  图1. 美国国家航空航天局(NASA) 1998年11月26日利用哈勃望远镜的太空望远镜成像光谱仪(STIS)拍摄的紫外木星极光图像。与地球的极光不同的是,木星的极光包括一些明亮的条纹和点,如图所示,这些明亮的条纹和圆点是由连接木星及其最大卫星的磁通量管引起的。图中远处左边的亮条痕为木卫一Io,中心下方的亮点为木卫三Ganymede,木卫三右边的亮点为木卫二Europa。图片来源:https://apod.nasa.gov/apod/ap001219.html

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  图2. NASA发布的哈勃太空望远镜在1998年1月7日拍摄到的木星极光照片 图片来源:https://images.nasa.gov/details-PIA01254.html

【星空美图】舞动的精灵——太阳系中其他行星的极光①

  图3. 欧洲南方天文台公布的2000年11月利用红外望远镜拍摄到的木星极光照片,照片清楚地显示了所拍摄到的木星两极的极光(黄色和橙色)和北极上空的烟雾(蓝色)。图片来源:https://www.eso.org/public/images/eso0123e/

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  图4. NASA公布的2007年3月“钱德拉”X射线望远镜拍摄到的木星极光图与“哈勃”望远镜拍摄到的木星图的合成照片。图片来源:http://news.sohu.com/20071226/n254308172.shtml

  土星

  土星的极光的形成过程与木星相似,是由来自磁层的带电粒子撞击土星上层大气层并使其发光产生的,其中磁层是带电粒子被土星磁场捕获的区域。与地球极光不同的是,土星的极光经常是螺旋形的,而且更可能在午夜和黎明前达到亮度峰值。与木星的极光相比,土星的极光与土星内部磁场和附近可变太阳风变化之间的联系有关,它似乎比地球或木星的极光更受太阳风的影响。

【星空美图】舞动的精灵——太阳系中其他行星的极光①

【星空美图】舞动的精灵——太阳系中其他行星的极光①

  图5. 卡西尼号探测器的窄角相机在可见光下于2009年10月5日至8日期间拍摄的土星北部上空闪烁的极光(橙色部分),在此期间卡西尼号探测器在81个小时内一共拍摄了472张图片,并合成了一个小视频,这也是土星极光的第一个可见光视频。这一系列图片还显示,土星的极光幕,也就是发光的大气分子片状结构,沿着土星的磁场延伸,并达到高于星球主体1200公里的高度,这是太阳系中已知的最高的“北极光”。每幅图片经两到三分钟的曝光获得,拍摄位置距土星约280万公里,图片分辨率为3.2km。图片来源:http://ciclops.org/view.php?id=5970

  事实上,拍摄的原始图片是黑白的,对图片进行处理时需要消除宇宙射线和镜头眩光的影响,为了区别图片中的背景噪声,将图片中的极光采用了伪彩色(橙色)显示。在地球上,极光经常呈现绿色,但是科学家并不知道土星上极光的颜色。

  土星的极光和地球一样吗?为了帮助回答这个问题,哈勃太空望远镜和卡西尼号航天器同时监测了土星的南极,卡西尼号于2004年1月接近了土星的南极。哈勃在紫外光下拍摄了图片,而卡西尼则记录无线电发射并监测太阳风。土星上的极光,和地球上的极光一样,大多出现在地球两极附近的高纬度地区。不同于地球的是,土星的极光持续数天,而地球上只有几分钟。

【星空美图】舞动的精灵——太阳系中其他行星的极光①

  图6. 哈勃望远镜拍摄的三张土星极光图片,每张相隔两天。图片来源:https://apod.nasa.gov/apod/ap050222.html

  除了太阳系中体积最大、自转最快的行星木星和最美丽的行星土星外,地球的其他兄弟姐妹中拥有极光的不在少数,下一篇我们将继续带大家领略太阳系中其他行星的极光。

  未完待续......

  作者:熊雅颖,系中国科学院国家天文台助理工程师,中国探月工程地面应用系统数据管理分系统成员。

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