科學家在數十年后解釋了旅行者2號在天王星附近測得的異常數據

距美國“旅行者2號”探測器飛掠天王星已近四十年，科研人員如今給出了當年令他們困惑不解的極端輻射帶觀測數據的新解釋。 研究指出，一次強烈的太陽風結構極有可能在那一關鍵時刻掃過天王星軌道，將其輻射帶“超級充能”，從而造成遠超預期的高能電子環境。

1986年，“旅行者2號”進行人類歷史上迄今為止唯一一次天王星近距離飛掠時，探測器記錄到一個異常強烈的電子輻射帶，其強度遠超當時理論模型推算的水平。 按照對其他行星輻射帶的認識，天王星的結構與磁場特性并不支持如此極端的被俘獲高能電子帶，這一“反常值”自此成為行星科學界長期未解的一道難題。

美國西南研究院（SwRI）的科研團隊近日在一項新研究中提出：當年“旅行者2號”測到的極端輻射環境，很可能與一類在太陽風中常見的高速結構——“共轉相互作用區”（CIR）有關。 這種結構由快、慢太陽風相互作用形成，會在行星磁層中觸發類似地球大暴風時出現的強烈“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”在天王星附近的實測數據，與幾十年來在地球附近積累的大量空間天氣與輻射帶觀測進行對比，發現兩者在關鍵波動特征上高度相似。 在地球，2019年的一次強太陽風事件曾導致輻射帶高能電子顯著加速，研究團隊認為，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”所見到的額外能量來源。

一個關鍵線索來自所謂的“合唱波”（chorus waves）——這是一類高頻電磁波，會在行星磁層中于強烈空間天氣期間被激發。 早在“旅行者2號”飛掠時期，科學界普遍認為這種波動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，使其能量和數量快速增加。

新論文指出，天王星在飛掠期間出現的正是整段“旅行者2號”任務中記錄到的最強一批此類高頻波動，這與后來的地球觀測形成了呼應。 科學家據此推斷，正是一場強烈太陽風事件激發的“合唱波”，為天王星的輻射帶注入了異常巨大的能量，從而產生了幾十年來被視為“異象”的讀數。

不過，這一新解釋也帶來了新的基礎物理問題。研究團隊指出，目前尚無法完全厘清在天王星特殊的自轉軸傾斜和磁場幾何結構下，這類波動是如何被激發、如何在時間序列上演變并最終導致如此極端輻射帶強化的。 天王星的自轉軸幾乎“躺倒”在黃道平面上，其磁軸又與自轉軸高度偏離，這使其磁層結構與太陽系其他行星截然不同，為空間天氣作用機制增加了更多未知數。

作者認為，這一成果進一步強化了向天王星發射專門深空探測任務的科學必要性。 深入探測不僅有助于驗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——包括類地行星與冰巨行星的輻射環境——提供關鍵參照。 相關研究以《重新審視“旅行者2號”在天王星的觀測：利用地球輻射帶知識破解天王星電子輻射帶之謎》為題，已發表于《地球物理研究快報》期刊。

科研人員表示，隨著對太陽風行為、行星磁層物理以及輻射帶動力學的認識不斷深化，那些曾被視作“異常”的歷史探測數據正在被重新解讀。 “旅行者2號”在天王星附近的離奇讀數，如今看上去不再是天王星“違背常理”，而更像是在恰逢一場罕見而強烈的行星級空間風暴中，被捕捉到的一個關鍵瞬間。

編譯自/ScitechDaily