为什么土星看起来自转速度不同？天文学家认为他们已经弄明白了

据英媒4月6日报道，研究人员发现，土星的极光会加热行星高层大气的一侧，并驱动类似其自转变化的风。 这一发现解决了土星实际自转与科学家用于追踪其自转的信号之间长期存在的不匹配问题。

在土星北极极光区域，热区和冷区与标记能量进出大气层的最强电流位置存在偏移。 诺森比亚大学的汤姆·斯塔拉德教授及其同事记录了这些温度模式如何与产生极光的带电粒子流相匹配。这些模式在每次自转时都出现在相同位置，表明加热是固定不变的，而非随条件变化而漂移。 基于这一固定点，土星自转的明显变化指向大气风，而非行星自转的实际变化。

多年来，依据科学家追踪的无线电脉冲、磁信号或更深层线索，土星似乎以不同速度自转。卡西尼号探测器的无线电测量数据出现漂移，尽管行星不可能随意改变自转速度，这让问题无法被忽视。基于重力的估算仍显示土星的一天约为10小时33分钟，其深层自转远比极光所显示的“时钟”稳定。这一矛盾迫使研究人员思考，是土星的哪一层在移动信号，以及为何该信号如此顽固。

韦伯望远镜连续观测了土星的一个完整自转日（约10.66小时 ），没有切换观测场景。 研究团队没有追踪云层，而是追踪了氢三离子（一种带电氢分子，其发光可揭示温度）。这些观测的清晰度高于每像素约500公里（310英里），比此前尝试清晰约10倍。此前误差接近90华氏度（约50摄氏度），如今模糊的细节终于分离成清晰的加热和冷却通道。

极光附近的一个热区将能量注入高层大气，相邻区域因热量扩散而冷却。 由于热气体膨胀并移动，这种不均匀加热驱动了风，使带电粒子侧向移动并形成电流。斯塔拉德教授称：“我们看到的基本上是一个行星热泵。”一旦这些电流增强极光，极光又会重新加热同一区域，使循环固定下来。

早在韦伯望远镜之前，计算机模型就表明土星极地周围应存在热量和粒子密度的偏移带。 在新绘制的地图中，最亮的极光和最热的空气并不完全在同一位置。这一不匹配很重要，因为密度追踪带电粒子下落的位置，而温度标记沉积能量已扩散的位置。同时看到这两种模式，让团队对系统的实际运行方式有了迄今最清晰的检验。

无线电爆发和磁脉冲曾被视为土星的最佳“时钟”，因为它们在行星范围内定期重复。如今情况更奇特：重复的节拍来自极光驱动的电流，而非行星深层内部。 此前研究已表明土星高层大气可移动该信号，韦伯望远镜终于揭示了“加热器”。这对所有基于无线电计时得出的旧自转估算都很重要，因为土星两极从未精确计时。

除大气层外，土星的磁层（围绕行星的巨大磁泡）也受到这些电流的影响。 磁层中的带电物质可将能量反馈回极光，这有助于解释为何该模式能持续多年。美国国家航空航天局的韦伯望远镜凭借其红外视觉和长时间凝视能力，终于捕捉到了这种能量交换，使土星微弱的发光可被读取。 如今，土星似乎是一个将大气、电和空间天气连接成一个系统的循环。

这些观测仅捕捉了土星的一个自转日，因此科学家尚不能确定每次极光爆发是否都遵循相同模式。太阳风风暴可重塑土星极光，更强的外部作用力可能压倒此处看到的自维持模式。另一个不确定性在于更深处，高层大气下方的平流层（较冷的一层）可能储存部分热量。要弄清有多少热量来自高层或低层，需要更多韦伯望远镜的观测和更精确的模型。

如果极光能加热空气、驱动电流并重塑上方的磁场环境，土星可能并非个例。 其他巨行星也可能隐藏着极光、高层大气和磁活动之间的类似联系，尽管细节可能不同。斯塔拉德教授称：“这一结果改变了我们对行星大气层的普遍认知。” 如果在其他地方发现类似反馈，遥远行星周围的奇怪信号可能指向其天空中的天气，而非核心。解开土星自转之谜，如今引发了更艰难的探索，即这种从大气到空间的“引擎”在其他世界有多普遍。

（原文标题：Why does Saturn appear to spin at different speeds? Astronomers think they figured it out）