美国国家航空航天局望远镜发现木星发出有史以来最高能量的光

木星的南半球显示在这张来自美国国家航空航天局朱诺号任务的图像中。美国国家航空航天局NuSTAR的最新观测显示，该行星两极附近的极光会发射高能X射线，这些射线是在加速粒子与木星大气层碰撞时产生的。

众所周知，这颗行星的极光会产生低能量的X射线。一项新的研究最终揭示了更高频率的X射线，并解释了它们为什么在30年前躲过了另一次任务。

自20世纪70年代以来，科学家们一直在近距离研究木星，但这颗气态巨星仍然充满了谜团。美国国家航空航天局NuSTAR太空天文台的最新观测揭示了有史以来从木星探测到的最高能量的光。NuSTAR可以探测到的X射线形式的光，也是有史以来从地球以外的太阳系行星探测到的能量最高的光。《自然天文学》杂志上的一篇论文报道了这一发现，并解开了一个几十年来的谜团：为什么尤利西斯号任务在1992年飞越木星时没有看到X射线。

X射线是一种光，但其能量和波长远高于人眼所能看到的可见光。美国国家航空航天局的钱德拉X射线天文台和欧洲航天局的XMM牛顿天文台都研究了木星极光的低能量X射线——木星卫星木卫一上的火山向行星喷出离子（原子被剥夺了电子）时，在行星南北极附近产生的光照。木星强大的磁场加速了这些粒子，并将它们输送到行星的两极，在那里它们与大气层碰撞并以光的形式释放能量。

根据2016年抵达木星的美国国家航空航天局朱诺号宇宙飞船的观测，来自木卫一的电子也会被行星的磁场加速。研究人员怀疑，这些粒子应该产生比Chandra和XMM Newton观测到的更高能量的X射线，NuSTAR（核光谱望远镜阵列的缩写）是第一个证实这一假设的天文台。

NuSTAR探测到来自木星南北极附近极光的高能X射线。NuSTAR无法高精度定位光源，只能发现光线来自紫色区域的某个地方。

哥伦比亚大学天体物理学家、这项新研究的主要作者Kaya Mori说：“行星产生NuSTAR探测到的范围内的X射线非常具有挑战性。”“但木星有一个巨大的磁场，而且它旋转得很快。这两个特征意味着该行星的磁层就像一个巨型粒子加速器，这就是为什么这些更高的能量发射成为可能。”

研究人员在进行NuSTAR检测时面临着多重障碍：例如，高能量的发射比低能量的发射要微弱得多。但这些挑战都无法解释尤利西斯号的未探测，尤利西斯号是美国国家航空航天局和欧空局的联合任务，能够探测到比NuSTAR更高能量的X射线。尤利西斯号宇宙飞船于1990年发射，经过多次任务延期，一直运行到2009年。

根据这项新的研究，解决这个难题的方法在于产生高能X射线的机制。光线来自木星极光分布实验（JADE）和木星高能粒子探测仪器（JEDI）可以探测到的高能电子，但有多种机制可以导致粒子产生光线。如果不直接观察粒子发出的光，几乎不可能知道是哪种机制造成的。

在这种情况下，罪魁祸首是所谓的韧致辐射。当快速移动的电子在木星大气层中遇到带电原子时，它们像磁铁一样被原子吸引。这导致电子迅速减速，并以高能X射线的形式失去能量。这就像一辆快速行驶的汽车如何将能量转移到制动系统以减速；事实上，韧致辐射在德语中的意思是“制动辐射”。（产生低能X射线的离子通过一种称为原子线发射的过程发光。）

每个光发射机制都会产生稍微不同的光轮廓。通过对韧致辐射光谱的既定研究，研究人员表明，在更高的能量下，包括在尤利西斯的探测范围内，X射线应该会明显变暗。

哥伦比亚大学天体物理学博士生、这项新研究的合著者Shifra Mandel说：“如果你对NuSTAR数据进行简单的外推，就会表明尤利西斯应该能够探测到木星的X射线。”“但我们建立了一个包括韧致辐射的模型，该模型不仅与NuSTAR的观测结果相匹配，还向我们表明，在更高的能量下，X射线会太微弱，尤利西斯无法探测到。”

该论文的结论依赖于NuSTAR、Juno和XMM Newton对木星的同时观测。

新章节

在地球上，科学家们在地球极光中探测到的X射线的能量甚至比NuSTAR在木星上看到的还要高。但这些辐射非常微弱，比木星的辐射微弱得多，只有在离大气层中产生这些X射线的位置非常近的小型卫星或高空气球才能发现。同样，在木星大气层中观察这些辐射需要一台靠近木星的X射线仪器，其灵敏度比20世纪90年代尤利西斯号携带的仪器更高。

该论文的合著者、伦敦大学学院的研究员威廉•邓恩说：“这些排放物的发现并没有结束这一案件；它开启了新的篇章。”“关于这些发射及其来源，我们仍然有很多问题。我们知道旋转磁场可以加速粒子，但我们不完全了解它们是如何在木星达到如此高的速度的。是什么基本过程自然产生了如此高能的粒子？”

科学家们还希望研究木星的X射线发射可以帮助他们了解我们宇宙中更极端的物体。NuSTAR通常研究太阳系外的物体，如爆炸的恒星和由大质量黑洞引力加速的热气盘。

这项新研究是科学家们能够将NuSTAR观测结果与从X射线源（Juno）获得的数据进行比较的第一个例子。这使研究人员能够直接测试他们关于是什么产生了这些高能X射线的想法。木星也与宇宙中的其他磁性物体——磁星、中子星和白矮星——有许多物理相似之处，但研究人员并不完全了解粒子是如何在这些物体的磁层中加速并发射高能辐射的。通过研究木星，研究人员可能会揭示我们还无法访问的遥远来源的细节。

更多关于任务

NuSTAR于2012年6月13日推出。这是一项由加州理工学院领导、喷气推进实验室为美国国家航空航天局华盛顿科学任务局管理的小型探测器任务，是与丹麦技术大学和意大利航天局（ASI）合作开发的。望远镜光学系统由哥伦比亚大学建造；美国国家航空航天局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心和DTU。该航天器由轨道科学公司在弗吉尼亚州杜勒斯建造。NuSTAR的任务操作中心位于加州大学伯克利分校，官方数据档案位于美国国家航空航天局高能天体物理科学档案研究中心。ASI提供了任务的地面站和镜像数据档案。加州理工学院为美国国家航空航天局管理喷气推进实验室。

喷气推进实验室为首席研究员、圣安东尼奥西南研究所的斯科特•J•博尔顿管理朱诺号任务。Juno是美国国家航空航天局新前沿计划的一部分，该计划由阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心为该机构的科学任务理事会管理。位于丹佛的洛克希德•马丁航天公司建造并运营了该航天器。