围绕天王星的“交通堵塞”可能解决它的弱辐射带的秘密

By Robert Lea

 published 9 hours ago

Uranus

 “这类似于在一条环路上交通堵塞如何形成一样。当汽车更慢行驶时会导致交通更密集，如果汽车更快行驶交通是更快散出去” 。

被詹姆斯·韦伯太空望远镜看到的天王星。 (Image credit: NASA, ESA, CSA, STScI)

科学家们可能已经解决了一个萦绕围绕冰巨星天王星和它的微弱辐射带的秘密。带的弱性被联系到这颗行星的好奇的倾斜和偏向一边的是可能的，该磁场可能正在造成粒子围绕这个世界嗖嗖的“交通堵塞”。

这个秘密追溯回到1986年1月旅行者2号访问天王星，远在2018年这个探测器离开太阳系之前。太空船发现了天王星的磁场是不对称的并离开它的自转轴倾斜约60°。此外，旅行者2号发现了天王星的辐射带由被磁场陷住的粒子组成，比预测的更弱约100倍。

这项基于用旅行者2号数据做出的仿真的新研究提出，这颗冰巨星的这两个奇怪方面是相关的。

首席作者马修阿策夫斯基告诉太空网站， “它有一个不像太阳系中其它的的磁场。大多数行星都有强的内在磁场，比如地球、木星和土星。它们有一个非常‘传统’的被称为一个偶极子的磁场形状，这是就像你会从你的日常条形磁铁期望的一样的相同磁场，在天王星不是这种情况，天王星的磁场是高度不对称的并且更接近这颗行星的表面变得越发如此” 。

阿策夫斯基解释说，这项研究突出天王星的磁不对称性如何翘曲行星的质子辐射带的结构，尤其是在旅行者2号经过的区域附近。

阿策夫斯基说，“我的假设是这种磁不对称性正在翘曲质子辐射带，围绕行星形成在那里辐射带更被压缩的区域，因此有更强强度，其他区域在那里辐射带更散出去，导致更弱强度”。

如果旅行者2号飞过一个辐射带散布出去的区域，这可以解释它的比期望的更弱的质子辐射带的观测” 。

一个太阳系异常

天王星是太阳系中最冷的行星和距离太阳第七的行星，在我们的行星系的其他世界中是古怪的。这颗冰巨星像一个宇宙球一样滚着，倾斜在它的轨道平面成97度的一个方向中。这意味着当它旋转时它做着种“侧向”。它是唯一一颗这样做的太阳系行星。. 

这种倾斜据信是一个在遥远的过去与一个地球大小的天体碰撞的结果，造成天王星在太阳系中有最极端的季节，有一个持续21年的冬季。每84地球年环绕一圈。天王星也是太阳系中在与其他所有行星相反方向中围绕太阳旋转的两颗行星之一（另一颗是金星）。

天王星比地球更宽四倍，距离太阳大约是地球所在地的19倍，被13个微弱的环和至少28个卫星环绕着。天王星也有极光，类似于地球的北极光和南光，但因为该行星的倾斜磁场，这些极光不会像在我们的行星、木星甚至土星上那样出现在它的两极上。

就像所有有磁场的行星一样，围绕天王星有被捕获的带电粒子，创造辐射带——但为什么这些辐射带似乎如此微弱五十年来一直是个秘密。

1986年旅行者2号宇宙飞船拍摄的天王星图像。是一个新使命去这个陌生寒冷的世界的时候吗？ (Image credit: NASA)

该团队的仿真放弃了天王星的磁场起一个偶极子的想法，而是用一个更复杂的四极磁场来复制它的不平衡性质。

这揭示了粒子随它们通过不同场强的区域加速和减速。粒子速度中的变化造成它们在某些区域中成批并变得在其他区域更被分散。这种效应只当一个单个复杂的四极磁场被因素进仿真时出现，这就是为什么以前它从未被见过的。

阿策夫斯基说，“我们发现了天王星的磁不对称性可能造成围绕行星在那里质子漂移更慢并更压缩的区域以及在那里质子更快漂移、更散布出去的其他区域。这类似于在一条环路上交通如何堵塞。当汽车更慢行驶时它造成交通更密集；如果汽车更快行驶，交通就会更分散出去” 。

阿策夫斯基及其同事理论化当旅行者2号访问天王星时，它穿过这颗冰巨星的辐射带的一个薄弱区域。

阿策夫斯基说，“我们将旅行者2号的轨迹投影到这个剖面上，发现了飞船事实上确实飞过了一个‘快速漂移’区域，这意味着它应该已经观察到低于正常质子辐射带强度。值得指出的是，我们的粒子仿真显示，这一结果占围绕行星质子强度约20%的最大变化” 。

这意味着该团队的模型不能充分的解释由旅行者2号观测到的更低100倍强度。

阿策夫斯基继续说道，“凡是主要效应造成了这些远更弱的质子辐射的可能已经被我们发现的这种效应加剧是可能的，我们被结果极端的惊讶。来看到一个磁不对称影响能对辐射带结构有多大真的是令人惊讶。这是某些以前不知道的” 。

一位艺术家的旅行者2号在它对天王星的开创访问18年后进入星际空间的描绘。 (Image credit: NASA/JPL-Caltech)

阿策夫斯基指出，由他和团队获得的结果可以帮助告知未来到天王星的航天器使命。到目前为止，旅行者2号是唯一一艘访问这颗冰巨星的航天器。这意味着关于这个世界的直接数据极被极端限制。

美国国家航空航天局正在计划最快在2030年发射一个天王星使命。这样一个使命可以帮助实验上验证这一仿真的结论。

阿策夫斯基说，“我们需要来验证这些仿真的是一个到天王星在几年过程上获得新的该行星的现场测量的旗舰航天器使命，而不是像旅行者2号那样只做了几个小时的。一项新的使命也可以允许我们来发现我们甚至不能用仿真预测的新物理学”。

“因为这是一颗有一个我们之前从未见过的磁场的行星，全新的现象被发现将是完全有可能的，这将拓宽我们的行星科学的理解” 。

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阿策夫斯基当然还没有结束这个奇怪的太阳系世界。对研究人员这个冰巨人是一个特别令人着迷的地方。

阿策夫斯基总结道，“天王星对科学提出一个我在解决中发现非常有趣的独特挑战。用如此少的数据你能发现许多这真的很有趣的，而字面上我们只相当触及这个表面。截至今天，没有许多人研究冰巨星天王星和海王星，尽管它们展示如此奇怪的特征，特别的在它们的磁场，因此把注意力吸引到那里能发生的奇怪现象对我是一个非常令人兴奋的前景” 。

该团队的研究于6月发表在 Geophysical Research Letters杂志上.