研究人员或已破解天王星辐射带之谜

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三 · 风月同天|周四 · 观测指南

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 太空探索

原作：Matthew Williams

翻译：张雨荷

编排：喻思敏

后台：李子琦

https://www.universetoday.com/articles/researchers-at-swri-may-have-solved-the-mystery-of-uranus-radiation-belts

图注：旅行者2号在 1986 年飞掠天王星时，看到的这颗行星几乎是一颗毫无特征的灰绿色球体。

图片来源：NASA/JPL-Caltech

太阳系中的两颗“冰巨星”——天王星和海王星——依然是至今人类探索最少的行星。由于它们与地球距离遥远，人类首次研究它们的探测器是旅行者2号，而这也是迄今为止唯一一次飞掠它们的探测任务。旅行者2号揭示的信息引发了许多关于这两颗行星及其卫星系统的谜团。例如，在飞掠天王星时，探测器记录到一个能量远高于预期的强电子辐射带。

自那以后，科学家研究了数千颗太阳系外的气态巨行星，并与天王星进行对比，这些对比反而进一步加深了这个谜团：天王星系统为何能捕获如此多的高能电子？

在一项最新研究中，美国西南研究院（SwRI）的科学家提出了一个新假说：旅行者2号所观测到的现象，可能是由于太阳风结构导致的。就像地球会受到太阳风暴的影响一样，他们认为旅行者2号飞掠天王星时，正好有一个 “共转相互作用区”经过该系统。

这项研究由 SwRI 空间科学部首席科学家、空间物理学家 Robert C. Allen 博士领导，团队成员包括科学家 Sarah Vines 和 George C. Ho。相关论文《解开天王星电子辐射带之谜：利用地球辐射带知识重新审视旅行者2号的观测结果》近期发表于 《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）。

图注：快速太阳风结构的空间天气效应示意图：第一幅图展示了快速太阳风结构本身，第二幅图展示了该结构在 2019 年引发地球上的强烈太阳风暴，第三幅图展示了旅行者2号在 1986 年飞掠天王星时观测到的相应环境条件。

图片来源：Allen, R. 等 (2025)

到目前为止，旅行者2号提供了关于天王星辐射环境的唯一直接测量数据。这些数据导致科学界普遍认为：天王星系统拥有较弱的离子辐射带和非常强的电子辐射带。然而，研究团队重新分析数据后发现，探测器取得这些观测记录时，太阳风处于异常状态，并非背景的稳定环境。他们认为，当时有一个短暂的太阳风事件经过天王星，而这一事件引发了整个旅行者2号任务期间最强的高频波动信号。

在当时，科学家认为这种强波动会使电子散逸并落入天王星大气中。但几十年来，对地球辐射带的研究已揭示，在特定条件下，这些波动反而可以加速电子，使其获得额外能量。为此，研究团队将旅行者2号的观测结果与地球上观测到的类似事件进行了比较，并发现了其中的相似之处。

“自旅行者2号飞掠天王星以来，科学取得了长足的进步。我们决定采用对比研究的方法，分析旅行者2号的数据，并将其与我们此后几十年在地球上的观测结果进行比较，” Allen博士在新闻稿中说道。 “2019年，地球经历了一次类似的事件，导致辐射带电子的加速运动异常剧烈，” Vines博士补充道。“如果类似的机制也作用于天王星系统，这就能解释旅行者2号为何记录到这些超乎预期的高能电子。”

他们的分析表明，太阳风与天王星磁层的相互作用可能驱动了高频波，这些高频波能够将电子加速到接近光速的能量。研究不仅解释了一个长期未解的观测谜团，还引出了更多关于高能波动背后物理机制的问题，以及导致这些过程的完整事件链。Allen 博士强调：“这再次证明我们需要一项专门前往天王星的任务。因为研究结果对理解类似系统，例如海王星，也具有重要的启示意义。”

责任编辑：陈玮菁

牧夫新媒体编辑部

谢谢阅读

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

马头星云
影像提供与版权: NASA中文、George Chatzifrantzis