科学家在数十年后解释了旅行者2号在天王星附近测得的异常数据

距美国“旅行者2号”探测器飞掠天王星已近四十年，科研人员如今给出了当年令他们困惑不解的极端辐射带观测数据的新解释。 研究指出，一次强烈的太阳风结构极有可能在那一关键时刻扫过天王星轨道，将其辐射带“超级充能”，从而造成远超预期的高能电子环境。

1986年，“旅行者2号”进行人类历史上迄今为止唯一一次天王星近距离飞掠时，探测器记录到一个异常强烈的电子辐射带，其强度远超当时理论模型推算的水平。 按照对其他行星辐射带的认识，天王星的结构与磁场特性并不支持如此极端的被俘获高能电子带，这一“反常值”自此成为行星科学界长期未解的一道难题。

美国西南研究院（SwRI）的科研团队近日在一项新研究中提出：当年“旅行者2号”测到的极端辐射环境，很可能与一类在太阳风中常见的高速结构——“共转相互作用区”（CIR）有关。 这种结构由快、慢太阳风相互作用形成，会在行星磁层中触发类似地球大暴风时出现的强烈“空间天气”事件，从而显著改变辐射带的能量分布。

研究人员将“旅行者2号”在天王星附近的实测数据，与几十年来在地球附近积累的大量空间天气与辐射带观测进行对比，发现两者在关键波动特征上高度相似。 在地球，2019年的一次强太阳风事件曾导致辐射带高能电子显著加速，研究团队认为，如果类似事件在1986年作用于天王星磁层，就能合理解释“旅行者2号”所见到的额外能量来源。

一个关键线索来自所谓的“合唱波”（chorus waves）——这是一类高频电磁波，会在行星磁层中于强烈空间天气期间被激发。 早在“旅行者2号”飞掠时期，科学界普遍认为这种波动主要促使高能电子向大气散失，但近几十年的新研究表明，在特定条件下，“合唱波”反而能够高效加速电子，使其能量和数量快速增加。

新论文指出，天王星在飞掠期间出现的正是整段“旅行者2号”任务中记录到的最强一批此类高频波动，这与后来的地球观测形成了呼应。 科学家据此推断，正是一场强烈太阳风事件激发的“合唱波”，为天王星的辐射带注入了异常巨大的能量，从而产生了几十年来被视为“异象”的读数。

不过，这一新解释也带来了新的基础物理问题。研究团队指出，目前尚无法完全厘清在天王星特殊的自转轴倾斜和磁场几何结构下，这类波动是如何被激发、如何在时间序列上演变并最终导致如此极端辐射带强化的。 天王星的自转轴几乎“躺倒”在黄道平面上，其磁轴又与自转轴高度偏离，这使其磁层结构与太阳系其他行星截然不同，为空间天气作用机制增加了更多未知数。

作者认为，这一成果进一步强化了向天王星发射专门深空探测任务的科学必要性。 深入探测不仅有助于验证此次基于类比地球空间天气得出的推论，也将为理解其他磁层系统——包括类地行星与冰巨行星的辐射环境——提供关键参照。 相关研究以《重新审视“旅行者2号”在天王星的观测：利用地球辐射带知识破解天王星电子辐射带之谜》为题，已发表于《地球物理研究快报》期刊。

科研人员表示，随着对太阳风行为、行星磁层物理以及辐射带动力学的认识不断深化，那些曾被视作“异常”的历史探测数据正在被重新解读。 “旅行者2号”在天王星附近的离奇读数，如今看上去不再是天王星“违背常理”，而更像是在恰逢一场罕见而强烈的行星级空间风暴中，被捕捉到的一个关键瞬间。

编译自/ScitechDaily