天文学家破解土星“变速自转”之谜 热泵机制被证实

最新揭橥在《地球物理研究杂志：空间物理》上的研究初次绘制出土星极光区域的温度与带电粒子分布细节图像，显示这一现象源于由土星极光驱动的、持续自我保持的反馈体系，从而在不雅测数据中制造出“自转率变更”的错觉。

几十年来，土星的异常行动一向令天文学家困惑。 以“卡西尼”号为代表的探测器在2004年前后取得的数据曾显示，土星的自转周期似乎会随时光推移产生变更，这一成果与传统物理认知相冲突——行星整体的自转本应在长时光标准上保持稳定。 2021年，由诺森比亚大年夜学行星天文学传授汤姆·斯托拉德（Tom Stallard）领衔的一项研究给出重要线索：真正变更的并非行星本身的转速，而是高层大年夜气中的高速风场，这些风在上层大年夜气中产生电流，进而影响极光旌旗灯号，让基于极光电磁波的“自转测量”看起来仿佛在变。

然而，这一解释本身又带来了新的问题：假如是高空风驱动电流，那么这些风一开端是若何被“点燃”和保持的？

最新的JWST不雅测给出了缺掉的一块拼图。 斯托拉德团队结合英国和美国多家机构，应用JWST持续监测了土星北极的极光区——类似地球的北极光——覆盖了完全的一个“土星日”，获得了前所未有时空分辨率的不雅测数据。 研究人员重点分析了土星上层大年夜气中一种名为三氢阳离子（H₃⁺）分子的红外辐射，这种分子是温度变更的天然“探针”，可用于反演大年夜气加热状况和粒子密度分布。

此前地基及轨道不雅测对温度的测量不肯定度约达50摄氏度，大年夜致与研究者试图分辨的温度起伏幅度相当，只能对极区大年夜范围进行平均处理。 JWST的数据将这一精度进步了约一个数量级，使科学家初次可以或许在极光区分辨出过细的局部加热与冷却构造。

不雅测成果与十多年前建立的数值模型高度吻合，但前提是将重要热源精确放置在极光沉降入大年夜气的区域，也就是带电粒子沿磁力线“砸向”上层大年夜气的那一带。 这解释土星极光不仅是壮不雅的光学气候，更是强有力的局部能量源：极光粒子沉降在特定高度范围内沉积能量，使局部大年夜气温度升高，从而驱动高空风场。 这些风又会在行星磁层与大年夜气的交界区域中激发电流，电流反过来为极光供给能量，使极光经久保持并持续加热大年夜气，形成一个“极光—加热—风—电流—极光”的闭合轮回。

斯托拉德将这一过程形象地比方为“一台行星级热泵”：极光为大年夜气加热，大年夜气驱动风，风生电流，而电流又反哺极光，体系自给自足、周而复始运转。 恰是这一稳定运转的反馈体系，让基于极光电磁旌旗灯号推算的“自转速度”随时光出现漂移，看上去就像土星本身的自转在迟缓变更。

这项研究的意义并不止于解释土星的“变速自转”疑案。 成果注解，土星大年夜气层与其磁层之间存在慎密耦合：大年夜气过程可以向外驱动电流和能量，改变磁层情况，而磁层中的能量和粒子又能再度沉降，将能量输送回大年夜气。 这种双向能量和动量交换机制，可能是土星这种异常旌旗灯号可以或许经久保持稳定的关键，也提示在其他具备强磁场与大年夜气层的行星（包含气态巨行星甚至系外行星）上，可能同样存在尚未被充分熟悉的大年夜气—空间情况联动过程。

斯托拉德表示，这一成果改变了我们懂得行星大年夜气的方法：假如行星大年夜气状况能向外驱动电流，进而改变四周空间情况，那么在研究其他行星甚至系外行星的高层大年夜气与平流层时，或许会发明迄今尚未预感到的交互现象。 相干成果以《JWST/NIRSpec 揭示土星可变磁层自转率的大年夜气驱念头制》为题揭橥于《地球物理研究杂志：空间物理》，研究获得英国科学与技巧举措措施委员会等机构赞助。