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探索木星最内层辐射带中的氧离子

常君芝
导读地球、木星和土星等拥有全球磁场的行星被所谓的辐射带包围:被困在磁场中,快速移动的带电粒子,如电子、质子和较重的离子在周围呼啸而过,...

地球、木星和土星等拥有全球磁场的行星被所谓的辐射带包围:被困在磁场中,快速移动的带电粒子,如电子、质子和较重的离子在周围呼啸而过,从而形成了辐射带。看不见的环形辐射带。由于它们的高速几乎达到光速,当它们碰撞时,粒子可以电离其他分子,创造一个危险的环境,也可能对太空探测器及其仪器造成危险。在这方面,气态巨行星木星运动着太阳系中最极端的辐射带。在他们的新出版物中,来自 MPS、加州理工学院()、约翰霍普金斯应用物理实验室()、仪器仪表和实验粒子物理实验室(葡萄牙)的研究人员,

就像木星的巨大磁场一样,它的辐射带向太空延伸了数百万公里;然而,在木卫二的月球轨道内,这颗气态巨行星周围半径约 670,000 公里的区域,是高能粒子密度和速度最高的地方。从木星上看,欧罗巴是四颗大型木星卫星中的第二颗,以 17 世纪的发现者命名为“伽利略卫星”。艾奥是最里面的伽利略卫星。随着 1970 年代中期的先锋 11 号太空探测器、1995 年至 2003 年的伽利略号以及目前的朱诺号,三个太空任务迄今已冒险进入这些辐射的最深处皮带并进行了现场测量。“不幸的是,来自先驱者 11 号和朱诺号的数据无法让我们毫无疑问地得出结论,航天器在那里遇到了什么样的离子,”新研究的主要作者、MPS 科学家 Elias Roussos 博士在描述目前的研究状态时说。“因此,到目前为止,它们的能量和起源也不清楚,”他补充道。只有从伽利略任务的最后几个月重新发现的数据才足以改善这种情况。

冒险进入内部辐射带

NASA 的伽利略号宇宙飞船于 1995 年到达木星系统。配备了由加州理工学院提供的重离子计数器 (HIC),以及由约翰霍普金斯应用物理实验室与宇航局合作开发和建造的高能粒子探测器 (EPD) MPS,该任务在接下来的八年中提供了有关气体巨星周围带电粒子分布和动力学的基本见解。然而,为了保护航天器,它最初只飞过辐射带的外围、不太极端的区域。仅在 2003 年,在任务结束前不久,当更大的风险是合理的时,伽利略冒险进入了阿玛尔忒亚和底比卫星轨道内的最内部区域。从木星上看,阿玛尔忒亚和底比是这颗巨行星的第三和第四颗卫星。

“由于暴露在强辐射下,预计来自辐射带内部区域的 HIC 和 EPD 的测量数据将受到严重破坏。毕竟,这两种仪器都不是专门设计用于在这样的环境中运行的。一个恶劣的环境,”Roussos 描述了他三年前开始进行当前研究时的期望。尽管如此,研究人员还是想亲眼看看。作为宇航局卡西尼号任务的成员,他在两年前见证了卡西尼号在土星的最后一次同样大胆的轨道,并分析了最后任务阶段的独特数据。“长期完成的伽利略任务的想法一直在我脑海中浮现,”鲁索斯回忆道。令他自己惊讶的是,

神秘的氧离子

在这一科学宝藏的帮助下,本研究的作者现在已经能够首次确定内部辐射带内的离子组成,以及离子的速度和空间分布。与以质子为主的地球和土星辐射带相比,木卫一轨道内的区域也含有大量的重得多的氧离子和硫离子,其中氧离子占主导地位。“Amalthea 轨道外的重离子的能量分布表明,它们主要是从辐射带的更远区域引入的,”Roussos 说。月球木卫一,它有 400 多座活火山,不断将大量硫磺和二氧化硫抛入太空——而且程度较轻,

再往里,在阿玛尔忒亚的轨道内,离子成分发生剧烈变化,有利于氧气。“那里的氧离子浓度和能量远高于预期,”Roussos 说。实际上,该区域的浓度应该会降低,因为卫星 Amalthea 和 Thebe 会吸收进入的离子;这两个小卫星的轨道因此形成了一种天然的离子屏障。例如,这种行为可以从土星系统的辐射带中得知,它有许多卫星。

因此,对氧离子浓度增加的唯一解释是辐射带最内侧区域的另一个局部源。正如研究人员的计算机模拟显示的那样,硫离子与木星环的细尘粒碰撞后释放的氧气构成了一种可能性。这些环比土星环暗得多,大约延伸到底比的轨道。然而,也可以想象,最内层辐射带的磁层环境中的低频电磁波将氧离子加热到观测到的能量。

“目前,不可能区分这两种可能的来源,”鲁索斯说。然而,这两种候选机制中的任何一种都与恒星或太阳系外环境中的高能粒子产生相似,进一步确定木星的辐射带延伸到天体物理领域,研究人员希望这一事实能够证明他们未来通过专门的太空任务进行探索是合理的.