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天王星磁场歪了59度,困扰科学家40年的谜题有了新解释

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你可能也好奇过:地球有南北极,指南针指哪儿就是哪儿,那其他行星是不是也这样?大部分是,但天王星和海王星偏偏不按这个规矩来。它们的磁场歪得离谱,而且不居中,这个怪现象把科学家难住了整整40年。


先说清楚"歪"到什么程度。人类至今只有一艘探测器近距离看过这两颗冰巨星——旅行者2号,它1986年1月飞过天王星,1989年8月飞过海王星。它测出来的结果,说直白点就是:不对劲。

  • 天王星的磁场偏离自转轴59度,而且根本不位于行星核心,只到核心往下三分之二的位置。
  • 海王星类似,磁场紊乱,偏离47度,中心位于核心和可见云顶之间的一半处。
  • 对比一下地球:磁场稳定,相对自转轴只倾斜11度

差距摆在这儿,难怪科学家挠头。这些年各种解释都提过。天王星整颗星本身就倾斜了97度,几乎是躺着绕太阳滚,于是有人猜:几十亿年前它被一颗早已消失的地球大小行星撞翻过,会不会那次撞击也把磁场撞歪了?

这个说法听着挺合理,但有个硬伤——海王星的磁场同样歪,可它并没有经历过那样的碰撞。所以不管原因是什么,它必须是这两颗冰巨星本身性质里带出来的东西。

现在,一项由美国和英国科学家完成的新研究,基于计算机模拟加上旅行者2号的磁场测量数据,可能找到了答案。关键在"发电机效应"——行星内部导电液体的对流翻滚运动,能产生并维持强大磁场。地球靠的是外核熔融铁,产生的磁场有清晰的南北极,也就是偶极,跟一根条形磁铁的两个磁极是一个道理。

但冰巨星内部的条件不一样。它们含有大量挥发物——氨、氢、氦、甲烷和水,围绕着一个可能存在的岩石核心。而且它们比地球大得多,质量分别是地球的14.5倍和17倍,巨大的质量在内部压出了极端环境。

研究团队负责人、得克萨斯大学奥斯汀分校的Chi Yan在声明中说:"在天王星和海王星深处,压力和温度变得极高。在那种条件下,水分子可能被拆解成离子,物质可能随深度增加而变得越来越导电。"

正是这种随深度上升的导电性,加上两颗行星的成分,让计算机模拟复现出了它们古怪的磁场。模拟还显示,磁场的结构和行星内部由对流与温度驱动的流体运动,是一起演化的。

而且这场演化似乎还没结束。模拟表明,两颗行星的磁场在短短几十年里就可能发生相当大的变化。Yan说:"地球的磁倾角在50年里只漂移大约一度。我们的模型显示,冰巨星的表现可以非常不同。有些时段,倾角在几十年内摆动几十度;另一些时段,同样的时间跨度里只轻微变化。"

那接下来怎么验证?NASA已经把重返天王星的新任务列为优先事项,计划在2040年代初出发;中国国家航天局的天问四号任务将于2029年发射前往木星,之后会释放一个小探测器,借引力弹弓继续飞向天王星。在那之前,科学家在想别的办法,不必只依赖40年前旅行者2号那批测量数据。

比如论文合著者、英国诺森比亚大学的Tom Stallard,一直在牵头用詹姆斯·韦布空间望远镜观测天王星和海王星上微弱的红外极光。极光是太阳风中的带电粒子与行星磁场相互作用、被导入磁极上方大气时产生的(海王星其实还有一个四极成分,让它的南北磁极更说不清)。所以极光出现在哪儿,就是行星磁场状况的一个好指标。

Stallard说:"我们正忙着研究这些观测里包含的内容,但极光的形状和结构,以及电离层里的其他奇怪图案,有望给我们提供一种理解磁场如何变化的方法,这是一块重要的垫脚石。"

思路是把韦布的极光观测、旅行者2号的磁场测量和计算机模拟结果合到一起,估算出天王星和海王星今天的磁场构型,再和1980年代比一比。这能提供一个实验检验,看新模型是不是走在正确的路上——当然,要真正确认,还得等新探测器抵达这两颗冰巨星的"后院"。

这项发现于11月3日发表在《通讯·物理》期刊上。

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