科學家在木星最內部的輻射帶發現高能氧離子


在美國宇航局的伽利略號木星任務結束近20年後,由德國馬克斯-普朗克太陽系研究所(MPS)領導的科學家從該任務的大量數據集中解開了一個新的秘密。研究小組首次能夠毫無疑問地確定,圍繞著這個氣體巨頭的高能離子主要是氧離子和硫離子。

它們被認為起源於木星的衛星木衛二上的火山爆發。在圍繞木星進一步向內運行的Amalthea衛星的軌道附近,研究小組意外地發現了高能量的氧離子濃度,這不能用木衛二的火山活動來解釋。一個以前未知的離子源一定在這裡起作用。這項研究的結果今天發表在《科學進展》雜誌上。

像地球、木星和土星這樣擁有自己全球磁場的行星被所謂的輻射帶所包圍。被困在磁場中的快速移動的帶電粒子,如電子、質子和更重的離子,在周圍呼嘯而過,從而形成看不見的、環形的輻射帶。由於它們的高速度幾乎達到光速,這些粒子在碰撞時可以電離其他分子,創造一個危險的環境,也可能對空間探測器及其儀器造成危險。在這方面,氣態巨人木星是太陽系中最極端的輻射帶。在這篇論文中,研究人員進行了迄今為止對木星內部輻射帶中重離子的最全面研究。

與木星的巨大磁場一樣,它的輻射帶也延伸到了幾百萬公里的空間;然而,木衛二衛星軌道內的區域,即圍繞這個氣體巨行星的半徑約為67萬公里的區域,是高能粒子密度和速度最高的地方。從木星上看,歐羅巴是四顆大型的木衛星中的第二顆,以其17世紀的發現者命名為”伽利略衛星”。木衛一是最裡面的伽利略衛星。隨著20世紀70年代中期的太空探測器”先鋒11號”、1995年至2003年的”伽利略號”以及目前的”朱諾號”,迄今已有三個太空任務冒險進入這些輻射帶的最內部,並進行了本地測量。 “不幸的是,來自先鋒11號和朱諾號的數據並不能讓我們毫無疑問地斷定太空飛行器在那裡遇到了什麼樣的離子,只有現在重新發現的伽利略任務最後幾個月的數據足夠詳細,可以改善這種情況。

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美國宇航局的伽利略太空飛行器於1995年到達木星系統。該任務配備了由加州理工學院貢獻的重離子計數器(HIC)和由約翰霍普金斯應用物理實驗室與MPS合作開發和建造的高能粒子探測器(EPD),在接下來的八年裡,該任務對這個氣體巨頭周圍帶電粒子的分佈和動態進行了基本的了解。然而,為了保護太空飛行器,它最初只飛過輻射帶的外圍、不太極端的區域。只是在2003年,在任務結束前不久,當更大的風險被證明是合理的時候,伽利略才冒險進入阿瑪西亞和西伯衛星軌道內的最內部區域。從木星上看,Amalthea和Thebe是這顆巨行星的第三和第四顆衛星。木衛二和歐羅巴的軌道位於更遠的外面。

在這個科學寶藏的幫助下,目前研究的作者現在已經能夠首次確定內部輻射帶內的離子組成,以及離子的速度和空間分佈。與以質子為主的地球和土星的輻射帶相比,木衛二軌道內的區域也包含大量更重的氧和硫離子,其中氧離子占主導地位,木衛二軌道外的重離子的能量分佈表明,它們主要是從輻射帶的一個更遙遠的區域引入的。衛星木衛二有400多座活火山,它們反覆向太空投擲大量的硫磺和二氧化硫,可能是主要來源。

再往裡走,在木衛二的軌道內,離子組成發生了急劇的變化,有利於氧氣。那裡的氧離子的濃度和能量比預期的要高得多。實際上,這個區域的濃度應該是下降的,因為阿瑪西亞和西伯的衛星會吸收進入的離子,因此這兩個小衛星的軌道形成了一種天然的離子屏障。對氧離子濃度增加的唯一解釋是在輻射帶的最內部區域有另一個局部來源。正如研究人員的計算機模擬所顯示的那樣,硫離子與木星環的細小灰塵顆粒碰撞後釋放的氧氣構成了一種可能性。

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