來自英國諾森比亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)借助目前最先進(jìn)的詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡（JWST），為一個困擾行星科學(xué)界數(shù)十年的難題給出了關(guān)鍵答案：為什么土星的自轉(zhuǎn)速度會因測量方式不同而看上去“在變”？

最新發(fā)表在《地球物理研究雜志：空間物理》上的研究首次繪制出土星極光區(qū)域的溫度與帶電粒子分布細(xì)節(jié)圖像，顯示這一現(xiàn)象源于由土星極光驅(qū)動的、持續(xù)自我維持的反饋系統(tǒng)，從而在觀測數(shù)據(jù)中制造出“自轉(zhuǎn)率變化”的錯覺。

幾十年來，土星的異常行為一直令天文學(xué)家困惑。 以“卡西尼”號為代表的探測器在2004年前后取得的數(shù)據(jù)曾顯示，土星的自轉(zhuǎn)周期似乎會隨時間推移發(fā)生變化，這一結(jié)果與傳統(tǒng)物理認(rèn)知相沖突——行星整體的自轉(zhuǎn)本應(yīng)在長時間尺度上保持穩(wěn)定。 2021年，由諾森比亞大學(xué)行星天文學(xué)教授湯姆·斯托拉德（Tom Stallard）領(lǐng)銜的一項(xiàng)研究給出重要線索：真正變化的并非行星本身的轉(zhuǎn)速，而是高層大氣中的高速風(fēng)場，這些風(fēng)在上層大氣中產(chǎn)生電流，進(jìn)而影響極光信號，讓基于極光電磁波的“自轉(zhuǎn)測量”看起來仿佛在變。

然而，這一解釋本身又帶來了新的問題：如果是高空風(fēng)驅(qū)動電流，那么這些風(fēng)一開始是如何被“點(diǎn)燃”和維持的？

最新的JWST觀測給出了缺失的一塊拼圖。 斯托拉德團(tuán)隊(duì)聯(lián)合英國和美國多家機(jī)構(gòu)，利用JWST持續(xù)監(jiān)測了土星北極的極光區(qū)——類似地球的北極光——覆蓋了完整的一個“土星日”，獲得了前所未有時空分辨率的觀測數(shù)據(jù)。 研究人員重點(diǎn)分析了土星上層大氣中一種名為三氫陽離子（H??）分子的紅外輻射，這種分子是溫度變化的天然“探針”，可用于反演大氣加熱狀況和粒子密度分布。

此前地基及軌道觀測對溫度的測量不確定度約達(dá)50攝氏度，大致與研究者試圖分辨的溫度起伏幅度相當(dāng)，只能對極區(qū)大范圍進(jìn)行平均處理。 JWST的數(shù)據(jù)將這一精度提高了約一個數(shù)量級，使科學(xué)家首次能夠在極光區(qū)分辨出細(xì)致的局部加熱與冷卻結(jié)構(gòu)。

觀測結(jié)果與十多年前建立的數(shù)值模型高度吻合，但前提是將主要熱源精確放置在極光沉降入大氣的區(qū)域，也就是帶電粒子沿磁力線“砸向”上層大氣的那一帶。 這說明土星極光不僅是壯觀的光學(xué)景象，更是強(qiáng)有力的局部能量源：極光粒子沉降在特定高度范圍內(nèi)沉積能量，使局部大氣溫度升高，從而驅(qū)動高空風(fēng)場。 這些風(fēng)又會在行星磁層與大氣的交界區(qū)域中激發(fā)電流，電流反過來為極光提供能量，使極光長期維持并繼續(xù)加熱大氣，形成一個“極光—加熱—風(fēng)—電流—極光”的閉合循環(huán)。

斯托拉德將這一過程形象地比喻為“一臺行星級熱泵”：極光為大氣加熱，大氣驅(qū)動風(fēng)，風(fēng)生電流，而電流又反哺極光，系統(tǒng)自給自足、周而復(fù)始運(yùn)轉(zhuǎn)。 正是這一穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的反饋系統(tǒng)，讓基于極光電磁信號推算的“自轉(zhuǎn)速率”隨時間出現(xiàn)漂移，看上去就像土星本身的自轉(zhuǎn)在緩慢變化。

這項(xiàng)研究的意義并不止于解釋土星的“變速自轉(zhuǎn)”疑案。 結(jié)果表明，土星大氣層與其磁層之間存在緊密耦合：大氣過程可以向外驅(qū)動電流和能量，改變磁層環(huán)境，而磁層中的能量和粒子又能再度沉降，將能量輸送回大氣。 這種雙向能量和動量交換機(jī)制，可能是土星這種異常信號能夠長期保持穩(wěn)定的關(guān)鍵，也提示在其他具備強(qiáng)磁場與大氣層的行星（包括氣態(tài)巨行星甚至系外行星）上，可能同樣存在尚未被充分認(rèn)識的大氣—空間環(huán)境聯(lián)動過程。

斯托拉德表示，這一成果改變了我們理解行星大氣的方式：如果行星大氣狀態(tài)能向外驅(qū)動電流，進(jìn)而改變周圍空間環(huán)境，那么在研究其他行星乃至系外行星的高層大氣與平流層時，或許會發(fā)現(xiàn)迄今尚未預(yù)料到的交互現(xiàn)象。 相關(guān)成果以《JWST/NIRSpec 揭示土星可變磁層自轉(zhuǎn)率的大氣驅(qū)動機(jī)制》為題發(fā)表于《地球物理研究雜志：空間物理》，研究獲得英國科學(xué)與技術(shù)設(shè)施委員會等機(jī)構(gòu)資助。