科學(xué)家在數(shù)十年后解釋了旅行者2號(hào)在天王星附近測(cè)得的異常數(shù)據(jù)

距美國(guó)“旅行者2號(hào)”探測(cè)器飛掠天王星已近四十年，科研人員如今給出了當(dāng)年令他們困惑不解的極端輻射帶觀測(cè)數(shù)據(jù)的新解釋。 研究指出，一次強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)結(jié)構(gòu)極有可能在那一關(guān)鍵時(shí)刻掃過(guò)天王星軌道，將其輻射帶“超級(jí)充能”，從而造成遠(yuǎn)超預(yù)期的高能電子環(huán)境。

1986年，“旅行者2號(hào)”進(jìn)行人類歷史上迄今為止唯一一次天王星近距離飛掠時(shí)，探測(cè)器記錄到一個(gè)異常強(qiáng)烈的電子輻射帶，其強(qiáng)度遠(yuǎn)超當(dāng)時(shí)理論模型推算的水平。 按照對(duì)其他行星輻射帶的認(rèn)識(shí)，天王星的結(jié)構(gòu)與磁場(chǎng)特性并不支持如此極端的被俘獲高能電子帶，這一“反常值”自此成為行星科學(xué)界長(zhǎng)期未解的一道難題。

美國(guó)西南研究院（SwRI）的科研團(tuán)隊(duì)近日在一項(xiàng)新研究中提出：當(dāng)年“旅行者2號(hào)”測(cè)到的極端輻射環(huán)境，很可能與一類在太陽(yáng)風(fēng)中常見的高速結(jié)構(gòu)——“共轉(zhuǎn)相互作用區(qū)”（CIR）有關(guān)。 這種結(jié)構(gòu)由快、慢太陽(yáng)風(fēng)相互作用形成，會(huì)在行星磁層中觸發(fā)類似地球大暴風(fēng)時(shí)出現(xiàn)的強(qiáng)烈“空間天氣”事件，從而顯著改變輻射帶的能量分布。

研究人員將“旅行者2號(hào)”在天王星附近的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，與幾十年來(lái)在地球附近積累的大量空間天氣與輻射帶觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者在關(guān)鍵波動(dòng)特征上高度相似。 在地球，2019年的一次強(qiáng)太陽(yáng)風(fēng)事件曾導(dǎo)致輻射帶高能電子顯著加速，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，如果類似事件在1986年作用于天王星磁層，就能合理解釋“旅行者2號(hào)”所見到的額外能量來(lái)源。

一個(gè)關(guān)鍵線索來(lái)自所謂的“合唱波”（chorus waves）——這是一類高頻電磁波，會(huì)在行星磁層中于強(qiáng)烈空間天氣期間被激發(fā)。 早在“旅行者2號(hào)”飛掠時(shí)期，科學(xué)界普遍認(rèn)為這種波動(dòng)主要促使高能電子向大氣散失，但近幾十年的新研究表明，在特定條件下，“合唱波”反而能夠高效加速電子，使其能量和數(shù)量快速增加。

新論文指出，天王星在飛掠期間出現(xiàn)的正是整段“旅行者2號(hào)”任務(wù)中記錄到的最強(qiáng)一批此類高頻波動(dòng)，這與后來(lái)的地球觀測(cè)形成了呼應(yīng)。 科學(xué)家據(jù)此推斷，正是一場(chǎng)強(qiáng)烈太陽(yáng)風(fēng)事件激發(fā)的“合唱波”，為天王星的輻射帶注入了異常巨大的能量，從而產(chǎn)生了幾十年來(lái)被視為“異象”的讀數(shù)。

不過(guò)，這一新解釋也帶來(lái)了新的基礎(chǔ)物理問(wèn)題。研究團(tuán)隊(duì)指出，目前尚無(wú)法完全厘清在天王星特殊的自轉(zhuǎn)軸傾斜和磁場(chǎng)幾何結(jié)構(gòu)下，這類波動(dòng)是如何被激發(fā)、如何在時(shí)間序列上演變并最終導(dǎo)致如此極端輻射帶強(qiáng)化的。 天王星的自轉(zhuǎn)軸幾乎“躺倒”在黃道平面上，其磁軸又與自轉(zhuǎn)軸高度偏離，這使其磁層結(jié)構(gòu)與太陽(yáng)系其他行星截然不同，為空間天氣作用機(jī)制增加了更多未知數(shù)。

作者認(rèn)為，這一成果進(jìn)一步強(qiáng)化了向天王星發(fā)射專門深空探測(cè)任務(wù)的科學(xué)必要性。 深入探測(cè)不僅有助于驗(yàn)證此次基于類比地球空間天氣得出的推論，也將為理解其他磁層系統(tǒng)——包括類地行星與冰巨行星的輻射環(huán)境——提供關(guān)鍵參照。 相關(guān)研究以《重新審視“旅行者2號(hào)”在天王星的觀測(cè)：利用地球輻射帶知識(shí)破解天王星電子輻射帶之謎》為題，已發(fā)表于《地球物理研究快報(bào)》期刊。

科研人員表示，隨著對(duì)太陽(yáng)風(fēng)行為、行星磁層物理以及輻射帶動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)不斷深化，那些曾被視作“異常”的歷史探測(cè)數(shù)據(jù)正在被重新解讀。 “旅行者2號(hào)”在天王星附近的離奇讀數(shù)，如今看上去不再是天王星“違背常理”，而更像是在恰逢一場(chǎng)罕見而強(qiáng)烈的行星級(jí)空間風(fēng)暴中，被捕捉到的一個(gè)關(guān)鍵瞬間。

編譯自/ScitechDaily