復看旅行者2號的數據：天王星不為人知的秘密，終浮出水面！

2023-04-01 01:14:38

在太陽系旅行了八年半之後，美國宇航局的旅行者2號正在為另一次相遇做準備。那是1986年1月24日。很快它將會遇到太陽系中神秘的第七顆行星——天王星，它正在天空中凍結。

旅行者2號在1986年1月14日接近天王星時拍攝了這張照片。天王星是朦朧的藍色，因為它的大氣層富含甲烷，吸收紅色可見光。

資料來源:美國航天局/JPL-加州理工學院

在靠近天王星的幾個小時內，「旅行者2號」在81433公裡的高度飛越了天王星的雲層，收集數據並揭示了兩個新的衛星環和11顆衛星，測量溫度為零下214攝氏度。這是我們歷史上唯一一次近距離測量天王星的數據。

三十年後，科學家在重新檢查數據時發現了一個秘密。

整個空物理學界不知道的是，「旅行者2號」在34年前穿過了一個等離子體團。

那個巨大的氣泡一直在攪動天王星的大氣，並把它也拋出空。這一發現發表在《地球物理通訊》月刊上，提出了一些關於天王星獨特磁性環境的新問題。

振蕩氣泡

整個太陽系的行星都在逃離它們的大氣層。來自金星的氫被吸進太陽風，這就像是從太陽逃逸的連續粒子流。木星和土星發射帶電氣體雲。甚至地球的大氣層也在逃逸。(不要擔心，地球的大氣層將會保持數十億年不變)。

這種影響對人類來說是微不足道的，但如果時間足夠長，大氣層的逃逸將從根本上改變地球的命運。舉一個同樣情況的例子，看看火星。

「火星曾經是一個潮溼的星球，有著厚厚的大氣層。吉娜·黛布·拉丘是美國宇航局戈達德太空飛行中心的物理學家，也是火星大氣和揮發性進化(MAVEN)任務的科學家。她說，「火星的大氣逃逸是隨著時間演變的」——逃逸持續了40億年——「最終成為我們今天看到的乾燥星球」。

大氣層的逃逸是由行星的磁場驅動的，磁場既能幫助也能阻礙這一過程。科學家認為磁場可以保護行星免受太陽風剝離大氣層的影響。但與此同時，它們也能創造洩漏的機會，就像土星和木星一樣，當磁力線糾纏在一起時，它們巨大的氣團就會被拋出。無論如何，為了了解大氣是如何變化的，科學家應該密切觀察磁場。

天王星如此神秘的另一個原因。旅行者2號1986年的飛越揭示了它的恆星的磁場是多麼奇怪。

「它的結構就是它運動的方式...」迪·布拉西奧說。"天王星以自己的方式運行."

與太陽系的其他行星不同，天王星的旋轉幾乎是完美的——就像一隻小豬在火架上旋轉和烘烤——每17小時完成一次滾轉。它的磁軸與旋轉軸成60度角，所以當它的恆星旋轉時，它的磁層——由它的磁場空間隔組成——就像一個拋出的球一樣擺動。科學家仍然不知道如何對其建模。

GIF動畫顯示天王星的磁場。黃色箭頭指向太陽，淺藍色箭頭標記天王星的磁軸，深藍色箭頭標記天王星的旋轉軸。

這一奇怪的現象讓迪·布拉西奧和她的合著者、戈達德中心的物理學家丹·賈斯曼參與了這個項目。兩人都是項目團隊的成員，正在為「冰巨人」天王星和海王星制定新的計劃任務，他們正在尋求解決一些未解之謎。天王星奇怪的磁場上次被監測是在30年前，這似乎是一個很好的起點。

因此，他們下載了旅行者2號磁力計的讀數，以監測飛船飛行的天王星附近磁場的強度和方向。抱著不知道找到什麼的心理，他們更深入細緻地研究了之前的研究，並測量了每1.92秒出現一個新的數據點。原本平滑的數據線被起伏不平所取代。這是見證的時刻:在一個微小的Z形起伏的背後，有一個偉大的故事。

你覺得會嗎...等離子團？」傑西曼看著蜿蜒的線條問迪·布拉西奧。

1986年旅行者2號飛越天王星時，磁力計數據來自該號。紅線顯示的是平均8分鐘內的數據，這種節奏在之前的幾次航海家2號研究會議中使用過。同一段數據以1.92秒的時間解析度繪製，揭示了等離子體團簇的Z字特徵。

資料來源:美國航天局/丹·格什曼

當時，沒有人知道旅行者2號的飛行，等離子粒子被認為是行星質量損失的一種重要方式。

這些巨大的等離子體團，或者說帶電氣體，從行星磁尾的末端被切斷——它的磁場像風向標一樣被太陽掃回來。經過足夠長的時間，分離的等離子體粒子可以從行星大氣中吸收離子，並從根本上改變它們的結構。他們已經觀察了地球和其他行星，但是沒有人在天王星探測到等離子團——還沒有發現。

迪·布拉西奧把數據輸入她的處理管道，得到了清晰的結果。"我確信這是一個等離子體團."她說。

逃離泡沫

迪布拉西奧和賈斯曼發現的等離子體團在天王星上空45小時的飛行中只持續了60秒。它在磁力計數據中的出現顯示了一種快速波動模式。"但是如果你用3D繪製，它看起來像一個圓柱體."賈斯曼說。

與他們通過觀察木星、土星和水星的等離子體團得出的結論相比，他們估計圓柱形至少有204，000公裡長，大約有400，000公裡寬。作者認為，像所有行星等離子體團一樣，它充滿了帶電粒子，主要是離子化的氫。

旅行者2號在穿過等離子體星團時讀取到數據表明了它的起源。儘管一些等離子體粒子的內部磁場發生了畸變，但迪·布拉西奧和傑斯曼觀察到了光滑的閉合磁環。這個環狀等離子體團是由行星的旋轉特別形成的，它將大氣中的碎片甩到太空。「離心力連杆繼續起作用，從而切斷等離子粒子，」傑斯曼解釋說。根據他們的估計，這種等離子體團佔天王星大氣質量損失的15%-55%，遠遠高於木星和土星。這可能是天王星大氣發射太空的主要方式。