距美國“旅行者2號”探測器飛掠天王星已近四十年，科研人員如今給出了當年令他們困惑不解的極端輻射帶觀測數(shù)據(jù)的新解釋。 研究指出，一次強烈的太陽風結構極有可能在那一關鍵時刻掃過天王星軌道，將其輻射帶“超級充能”，從而造成遠超預期的高能電子環(huán)境。

1986年，“旅行者2號”進行人類歷史上迄今為止唯一一次天王星近距離飛掠時，探測器記錄到一個異常強烈的電子輻射帶，其強度遠超當時理論模型推算的水平。 按照對其他行星輻射帶的認識，天王星的結構與磁場特性并不支持如此極端的被俘獲高能電子帶，這一“反常值”自此成為行星科學界長期未解的一道難題。

美國西南研究院（SwRI）的科研團隊近日在一項新研究中提出：當年“旅行者2號”測到的極端輻射環(huán)境，很可能與一類在太陽風中常見的高速結構——“共轉相互作用區(qū)”（CIR）有關。 這種結構由快、慢太陽風相互作用形成，會在行星磁層中觸發(fā)類似地球大暴風時出現(xiàn)的強烈“空間天氣”事件，從而顯著改變輻射帶的能量分布。

研究人員將“旅行者2號”在天王星附近的實測數(shù)據(jù)，與幾十年來在地球附近積累的大量空間天氣與輻射帶觀測進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者在關鍵波動特征上高度相似。 在地球，2019年的一次強太陽風事件曾導致輻射帶高能電子顯著加速，研究團隊認為，如果類似事件在1986年作用于天王星磁層，就能合理解釋“旅行者2號”所見到的額外能量來源。

一個關鍵線索來自所謂的“合唱波”（chorus waves）——這是一類高頻電磁波，會在行星磁層中于強烈空間天氣期間被激發(fā)。 早在“旅行者2號”飛掠時期，科學界普遍認為這種波動主要促使高能電子向大氣散失，但近幾十年的新研究表明，在特定條件下，“合唱波”反而能夠高效加速電子，使其能量和數(shù)量快速增加。

新論文指出，天王星在飛掠期間出現(xiàn)的正是整段“旅行者2號”任務中記錄到的最強一批此類高頻波動，這與后來的地球觀測形成了呼應。 科學家據(jù)此推斷，正是一場強烈太陽風事件激發(fā)的“合唱波”，為天王星的輻射帶注入了異常巨大的能量，從而產生了幾十年來被視為“異象”的讀數(shù)。

不過，這一新解釋也帶來了新的基礎物理問題。研究團隊指出，目前尚無法完全厘清在天王星特殊的自轉軸傾斜和磁場幾何結構下，這類波動是如何被激發(fā)、如何在時間序列上演變并最終導致如此極端輻射帶強化的。 天王星的自轉軸幾乎“躺倒”在黃道平面上，其磁軸又與自轉軸高度偏離，這使其磁層結構與太陽系其他行星截然不同，為空間天氣作用機制增加了更多未知數(shù)。

作者認為，這一成果進一步強化了向天王星發(fā)射專門深空探測任務的科學必要性。 深入探測不僅有助于驗證此次基于類比地球空間天氣得出的推論，也將為理解其他磁層系統(tǒng)——包括類地行星與冰巨行星的輻射環(huán)境——提供關鍵參照。 相關研究以《重新審視“旅行者2號”在天王星的觀測：利用地球輻射帶知識破解天王星電子輻射帶之謎》為題，已發(fā)表于《地球物理研究快報》期刊。

科研人員表示，隨著對太陽風行為、行星磁層物理以及輻射帶動力學的認識不斷深化，那些曾被視作“異?！钡臍v史探測數(shù)據(jù)正在被重新解讀。 “旅行者2號”在天王星附近的離奇讀數(shù)，如今看上去不再是天王星“違背常理”，而更像是在恰逢一場罕見而強烈的行星級空間風暴中，被捕捉到的一個關鍵瞬間。

編譯自/ScitechDaily