为何木星和土星远离太阳，却有着极端高温？研究人员找到了原因
它们生活在太阳系中被太阳遗弃的遥远地方。木星和土星——气态巨行星，天王星和海王星——冰巨星，总是被认为是寒冷的区域。但是，当美国宇航局的航海者号航天器在 1970 年代末和 1980 年代从它们身边驶过时，科学家们发现这四个星球都在进行行星热——这与在冰箱里发现篝火一样令人震惊。
地面望远镜以及伽利略号和卡西尼号航天器的后续观测表明，它们在全球范围内的发烧一直持续着。他们的行星发热很严重：例如，木星的低纬度地区应该是 -110 摄氏度的寒冷。相反，那里的温度在 325 度左右。隐藏的火炉究竟是什么？这个未知的热源，是如何不仅使星球上的一个点变暖，而且还使整个高层大气也变暖的？
日本宇宙航空研究开发机构的行星天文学家詹姆斯·奥多诺霍（James O'Donoghue）说，科学家们试图解释这种“能源危机”，但“大约 50 年来一直困惑不解” 。现在有两篇论文最终揭示了所有热量的来源：木星和土星的北极光和南极光——它们的极光。
结果来自对两个气态巨行星高层大气的详细测量。卡西尼号航天器在最终将其坠入土星的演习中测量了土星的大气温度。木星是用望远镜在夏威夷巨大的火山顶上缝合在一起的。两者都表明，在两个磁极下方的极光区附近，大气最热。当你接近赤道时，温度会下降。显然，极光带来了热量——就像散热器一样，热量随着距离的增加而减少。
能源危机的解决方案可能会产生深远的影响。行星——从我们太阳系中的行星到那些绕着遥远恒星运行的行星——并不总是保持它们的大气层。随着时间的推移，许多充满气体的外壳被摧毁，在某些情况下，将巨大的世界变成了无法居住的微小外壳。研究人员希望能够将这些与宜居的类地行星区分开来。如果我们希望这样做，亚利桑那大学的研究员Zarah Brown说，“你想知道的一个主要参数是外层大气的温度，因为这是气体流失到太空的地方。”
外星极光
地球的北极光和南极光尚未完全了解，但基本原理已经很清楚了。
太阳将大量磁场和高能粒子射入太空。当这些凌空——更广为人知的是太阳风——到达我们的星球时，它们会与地球自身的磁泡相互作用，也就是所谓的磁层。然后高能粒子螺旋下降到行星的南北磁极。在那里，它们在高层大气中释放气体原子和分子。这些撞击会暂时激发气体，从而发出可见的闪光。
一般来说，极光需要三种成分：高能粒子源、磁场和大气。木星和土星都拥有这三种成分，但它们的极光都与地球的极光不同。
地球的磁场来自我们脚下深处液态镍铁合金的搅动。但是气态巨行星没有液态铁核心。取而代之的是，行星巨大的引力将巨大体积的液态氢挤压在其外核中，如此用力，以至于氢的电子自由弹射。该过程将氢转化为产生磁性的金属。
由于这些金属氢的漩涡是如此巨大，气态巨行星的磁层使地球看起来像小人国。木星的磁层“是太阳系中最大的结构，”奥多诺霍说。“它的尾巴向下延伸到土星，甚至可能更远。”
气态巨行星也不能依赖太阳风提供的大量高能粒子或等离子体，太阳风会随着与太阳的距离增加而消散。相反，他们依赖火山炼金术。
木星的大部分等离子体来自其卫星艾欧，这是科学界已知的火山最多的天体。艾奥近乎恒定的岩浆喷发将大量火山物质抛入太空；在那里，它沐浴在阳光下，变得兴奋，然后落到木星上。土星的大部分等离子体来自土卫二，土卫二是一个镜面冰冷的卫星，它向太空喷射壮观的寒冷水流物质。
这些等离子体射入行星广阔的磁层，加速它们进入两极。在那里，等离子体中的带电粒子与大气中的气体分子发生碰撞。
土星上的极光主要发出紫外线；在木星上，它们同时处于紫外线和红外线波长。但是产生光的过程与产生热量的过程不同。在这种情况下，“一切都与摩擦有关，”奥多诺霍说道。
等离子体通过磁力线流向行星的磁极——磁化的卷须延伸到太空很远。这些卷须和它们的水流与行星一起旋转。但他们有时很难跟上步伐。例如，木星每 10 小时自转一次。当这些等离子流落后于行星的自转时，木星强大的西风就会穿过它们。这些风对缓慢移动的等离子体流的阻力会产生摩擦。这种摩擦会产生热量——在木星自身的情况下，它的热量可能是行星从太阳获得的热量的 125 倍。“这太疯狂了”奥多诺霍说道。
因此，天文学家一直想知道极光是否是这些行星热的来源也就不足为奇了。在波士顿大学的高级研究科学家卢克·摩尔说：“几十年来，很明显，有大量的极光能量”。但为了从怀疑走向确定，天文学家需要一张地图：特别是，气体和冰巨星高层大气的热图。有了它，他们可以看到最高温度是否可以叠加在极光上，以及这种热量是否会扩散到整个星球。
2017 年 4 月，在绕土星轨道运行 13 年后，美国宇航局的卡西尼号航天器受命做一件了不起的事情。在土星和它的环之间反复潜水的同时，环绕了这颗行星 22 圈。于 2017 年 9 月 15 日结束，当时飞船在土星的云层中燃烧，让卡西尼号以前所未有的方式近距离观察世界。
当卡西尼号靠近土星时，它透过行星的大气层凝视着远处明亮的恒星。这些恒星发出的光似乎随着光穿过的大气密度而变化。气体的密度和温度是相关的，因此研究人员使用了几十个这样的测量，称为恒星掩星，为土星高层大气的白天和黑夜生成详细的热图。
去年发表在《自然天文学》杂志上的热图显示了极光周围的热峰值，以及朝向赤道的温度缓慢下降。
看起来好像极光是有责任的。但是，“如果我们关于土星能量再分配的理论是正确的，它也必须适用于木星”，土星研究的主要作者布朗说。
现在，由 O'Donoghue 和他同事的工作证实，似乎确实如此。
将木星的高层大气热归因于它自己的极光还需要一张热图。但是制作这样的地图绝非易事。这颗行星混乱的高层大气每周都在变化。你不能只在一个晚上在两极附近进行测量，然后几周后回来与赤道附近的测量结果进行比较。随着时间的推移，天空将发生重大变化，任何热流的证据都将消失。
研究人员需要的是，在相对较短的时间内，制作出全球热图 - 显示几个小时内的热量流动。
O'Donoghue、Moore 和公司转向位于夏威夷休眠的莫纳克亚火山顶上的凯克天文台。他们用它在两个晚上（2016 年 4 月 14 日和 2017 年 1 月 25 日）的红外光下观察木星，每晚 5 小时。在每晚的观察过程中，他们都创建了木星白天一侧的高分辨率热图。两张地图都清楚地显示了极光区周围的温度达到峰值，达到了惊人的 730 摄氏度。当您接近赤道时，这个高温逐渐下降，但那里的水银温度仍然高达 325 度。
他们的结果目前可在已被《自然》接受的预印本中获得，与卡西尼号在土星上看到的结果一致。[编者注：该论文现已发表。] 结果被认为是极光可以解决能源危机的有力证据。“这是向前迈出的一大步，看到它是极光加热，”威尔士阿伯里斯特威斯大学的空间物理研究员罗西约翰逊说，他没有参与任何一篇论文。
英国兰开斯特大学的空间和行星物理学研究员Licia Ray也没有参与任何一篇论文，她赞扬了土星研究的严谨数据集。但她不太相信木星论文。她说：“他们只使用了两个晚上的数据，我发现这是一个问题”。但尽管她有疑虑，但她说：“我认为[木星]的温度梯度结果可能会成立，因为他们已经在土星看到了”。
摩尔说：“相对较少的观测是一个值得关注的问题，因为这些巨大的行星是非常有活力的地方”。已经收集了额外的木星夜晚观测数据，目前正在处理中。
无论如何，大多数独立研究人员似乎相信，全球范围内的发烧都归因于极光。这些论文“非常好地证实了我们怀疑正在发生的事情确实正在发生，”英国莱斯特大学的行星科学家Leigh Fletcher说，但他没有参与这项工作。为什么“能量正在从极光域泄漏到低纬度地区” ？
邪恶的西风
大多数大气环流模型都在努力将热量，从极光通过木星和土星的西风转移到赤道——然而，他们的热图显示这些狂暴的障碍正在以某种方式被克服。
卡西尼号的观察启发了一种潜在的解决方案。卡西尼号发现，有时对土星大气下层的干扰会导致该层迁移到上层大气。这种反转可能会扰乱和减缓高层大气强大的西风——也许足以让极光热量泄漏。
理论上，这种机制也适用于木星。但是，气态巨行星的高层大气缺乏云——清晰的运动标志——这使得研究那里的风“极具挑战性，”弗莱彻说道。目前，能源危机的这一部分仍然是一个没有解决方案的谜语。
O'Donoghue 的团队怀疑第二个过程可能有助于在木星周围分布热量。有时，强烈的太阳风活动会对木星的磁层施加压力，挤压它。先前的工作表明，当这种压缩发生时，艾奥的等离子体流可以被迅速推入高层大气。额外的等离子体使那些强大的西风有更多的推动力，这可能会产生加热峰值。
在最近的调查中可能已经看到了这样的峰值。大约在2017年1月25日左右，观测到太阳风活动相对较高时，已经很热的高层大气温度飙升。该团队同时发现一个奇怪的高温结构从极光区向赤道移动。这些现象在 2016 年 4 月 14 日的观测中没有出现，当时太阳风活动相对平静。
该团队推测，2017 年初的太阳风活动爆发可能挤压了星球上的磁层。但其他因素也可能在起作用。雷推测艾奥上火山活动的增加可能提供另一种解释。O'Donoghue 说，如果没有更多的观察，他们就无法确定一种或另一种方式。
尽管有这些挥之不去的窘境，但最终确定极光是木星和土星大气纵火犯，这大大增强了我们对这些星球的理解。然而，天王星和海王星仍然笼罩在不确定的浓雾中。它们有不同的大气、磁场和旋转行为——“它们很古怪，”布朗说——这意味着对气态巨行星有效的方法可能对冰巨星无效。它们离地球太远了，我们很难用地球望远镜仔细观察它们的细节，而且在可预见的未来，似乎其他航天器不会造访它们。在那一天到来之前，这些遥远的领域将仍然陌生。