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彗星也有极光?

2020/10/2 0:53:22 来源:光明网 浏览:

在此之前,人类已经观察到太阳系中各大行星(除了水星)甚至一些天然卫星(月球、木卫二、木卫三)上各种各样的极光现象,但彗星上的极光还是首次发现。这一不同寻常的远紫外电磁辐射现象是如何产生的呢?

这张动图由24张照片合成,这些照片是ESA的罗塞塔探测器在2014年11月19日至12月3日期间围绕67P彗星运行时由导航相机采集到的。

Credit: ESA/Rosetta/NAVCAM

极光(Aurora)的本质

地球磁层作用下太阳的高能带电粒子流(太阳风)使地球高层大气分子或原子激发(或电离),从而产生带颜色的微光(绿色、白色最为常见)。这就是地球上的极光。

极光常常出现于纬度高、靠近地磁极地区的上空,一般呈带状、弧状、幕状、放射状,这些形状有时稳定,有时做连续性变化。极光产生的条件有三个:大气、磁场、高能带电粒子。

挪威的极光

极光不只在地球上出现,太阳系内的其它一些具有磁场的行星上也有极光。

木星上的极光

可问题是,67P彗星没有磁场,那极光是怎么产生的呢?

“最初,我们认为67P彗星的紫外辐射是一种被称为‘气辉(dayglow)’的现象,这是太阳光子与彗星气体相互作用的过程,”乔尔·帕克(Joel Parker)博士负责罗塞塔探测器搭载的“爱丽丝远紫外光谱仪(Alice FUV)”,他说:“我们惊奇地发现,这些紫外辐射是极光,不是由光子驱动的,而是由太阳风中的带电粒子驱动的。这些带电粒子将彗发中的水以及其他分子电离,被激发的原子在彗星附近的环境中加速,由此产生了这种独特的光。”这类似于地球极光的产生机制。

彗星极光的产生机理

该论文的第一作者是来自伦敦帝国理工学院的玛丽娜·加兰(Marina Galand)。她带领团队使用基于物理学的模型,来整合罗塞塔号上各种仪器的测量结果。

她认为:“这样做,我们不必仅仅依赖一台仪器的一组数据,而是可以集中多台仪器的海量数据,以便更好地了解发生了什么。这样,我们能够毫不含糊地确定67P彗星的紫外原子发射是如何形成的,并揭示它们的极光性质。67P的极光是独一无二的。”

●罗塞塔号的艰巨任务

彗星是一颗“时间胶囊”,它含有太阳及其行星形成时期遗留下来的原始物质。近距离观测彗星将有助于科学家们了解太阳系的起源和演化,以及彗星在行星形成过程中可能扮演的角色。

罗塞塔号模型图。

罗塞塔探测器是太空探索中成就最丰富的“彗星猎人”,也是人类历史上第一艘与彗星会合,并围绕它运行的航天器。它于2004年发射升空,从2014年8月开始围绕67P运行,直到2016年9月它着陆在彗星表面,结束了它的任务。但是时至今日,科学家们依然在整理它返回给我们的数据,并不断得出惊人的结论。

罗塞塔拍摄的67P彗星的最后一张照片,是在撞击前不久拍摄的,估计海拔51米。这张照片是2016年9月30日用欧西里斯广角相机拍摄的。图像比例尺约为5毫米/像素,图像测量宽度约为2.4米。

罗塞塔号与67P彗星的“约会”之路可谓是一波三折。按计划,它本来将于10年内飞越地球3次和火星1次。然而当探测器抵达木星轨道附近后,其装载的太阳能电池已经无法从太阳获得足够的能量。为了给最后阶段的“追逐”保留电力,研究人员从2011年6月8日开始,让罗塞塔号进入休眠状态。格林尼治时间1月20日10时,罗塞塔号被“唤醒”了,跟踪导航系统开始逐渐升温,大约6个小时后恢复正常工作。之后,罗塞塔进行了一系列机动变轨,从后方逐渐追赶上彗星,进入环绕彗星运行的轨道。

2014年11月4日,罗塞塔号母舰上部署的一艘名为菲莱(Philae)的小型着陆器降落在彗星上。由于推进程序错误,以及固定装置未能及时打开,它未能在指定地点着陆,触地后多次弹跳,最终落在了一个陨石坑边缘的阴影中。因阳光不足导致太阳能电池板无法有效充电,菲莱在工作了3天后便因电力耗尽进入休眠状态。在这三天中,菲莱获得了第一批从彗星表面拍摄的图像,并传回了宝贵的科研数据。

菲莱号传回的照片。

Credit:ESA

菲莱曾在2015年6月至7月间数次短暂“苏醒”,并向地球传回数据,约3万粉丝通过推特表达了他们对重新与其取得联系的激动心情。随着67P彗星在2015年8月飞过近日点,彗星喷射出大量的水气和尘埃,为了保护罗塞塔号,控制中心只好命令其飞到距离彗星表面三百公里的轨道运行,这个距离超过菲莱与罗塞塔的有效通信范围。2016年2月12日,控制中心已经停止向菲莱发送任何指令,但仍然保持监听菲莱可能发送的无线电信号。北京时间2016年7月27日23时07分,罗塞塔号飞船关闭船上的电器支援系统,切断与菲莱的所有联系,以节省电力。2016年9月2日,罗塞塔飞船搭载的相机拍摄到菲莱,它位于67P彗星的Abydos区域。

菲莱探测器的数次“弹跳”。

●极光——太阳风运动的播报员

在与67P彗星相逢的两年内,罗塞塔提供了大量数据,揭示了太阳和太阳风如何与彗星相互作用,这对于理解整个太阳系的“空间天气”至关重要。观察极光的变化,有助于研究太阳辐射对空间环境的影响,最终可能有助于保护卫星和航天器,护航前往月球或火星的宇航员。

对彗星极光现象的观察无疑具有美学价值。除此之外,即使没有像罗塞塔这样的太空探测器帮助我们,有朝一日,我们地球上的紫外线观测技术也能帮助解释太阳风对于这些彗星的作用。在太阳系内外各种各样的环境中,我们都能观察到极光。最近的研究表明,产生极光的星体并不需要有地球一样的磁场,因为67P彗星本身没有磁场。这也是67P彗星的极光现象比地球上的更为弥散的原因。

参考文献:

1.(论文原文)M. Galand et al.Far-ultraviolet aurora identified at comet 67P/Churyumov-Gerasimenko.Nature Astronomy,DOI: 10.1038/s41550-020-1171-7

2.https://scitechdaily.com/astronomers-discover-one-of-a-kind-glow-surrounding-comet-ultraviolet-atomic-emissions/amp/

3.https://go.newsfusion.com//nasa-news/item/7242199

4.https://scitechdaily.com/rosettas-final-descent-images-of-comet-67pchuryumov-gerasimenko/

5.https://www.slashgear.com/this-one-of-a-kind-comet-aurora-could-help-make-crewed-mars-missions-safer-21638923/amp/

来源:牧夫天文

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来源: 国家空间科学中心

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