NASA NuSTAR发现有史从木星探测到的最高能量的光

《Nature Astronomy》上的一篇论文报告了这一发现并解开了一个几十年的谜团：为什么Ulysses任务在1992年飞过木星时没有看到X射线。

X射线是一种光的形式，但比人眼能看到的可见光具有更高的能量和更短的波长。NASA的钱德拉X射线天文台和欧空局(ESA)的XMM-牛顿天文台都研究了来自木星极光的低能量X射线--当木星卫星木卫二上的火山向木星喷发离子（被剥去电子的原子）时，在木星南北两极附近产生的光照。木星强大的磁场加速了这些粒子并将它们引向行星的两极，在那里它们跟木星的大气层碰撞并以光的形式释放能量。

根据NASA 2016年抵达木星的朱诺号航天器的观测，来自木卫二的电子也被该行星的磁场所加速。研究人员怀疑这些粒子应该产生比钱德拉和XMM-牛顿观测到的更高能量的X射线，而NuSTAR（核光谱望远镜阵列的简称）是第一个证实这一假设的观测站。

哥伦比亚大学的天体物理学家、新研究的论文主要作者Kaya Mori说道：“行星产生NuSTAR探测到的范围内的X射线是相当具有挑战性的。但木星有一个巨大的磁场，且它的旋转速度非常快。这两个特点意味着该行星的磁层就像一个巨大的粒子加速器，这就是使这些高能量排放成为可能的原因。”

研究人员在进行NuSTAR探测时面临多重障碍，如高能量的发射比低能量的发射要暗得多，但这些挑战都不能解释Ulysses没有探测到的原因。Ulysses是NASA和ESA的一项联合任务，能够探测到比NuSTAR更高能量的X射线。Ulysses航天器于1990年发射，在多次延长任务后，一直运行到2009年。

根据这项新研究，这一难题的解决方案在于产生高能X射线的机制。这些光来自“朱诺号”可以用其木星极光分布实验(JADE)和木星高能粒子探测仪(JEDI)探测到的高能电子，但有多种机制可以导致粒子产生光。如果不直接观察粒子发出的光，几乎不可能知道哪个机制是负责任的。

在这种情况下，罪魁祸首是一种叫做韧致辐射(bremsstrahlung)的东西。当快速移动的电子遇到木星大气中的带电原子时，它们会像磁铁一样被吸引到原子上。这导致电子迅速减速并以高能X射线的形式失去能量。这就像一辆快速行驶的汽车如何将能量转移到它的制动系统来减速。事实上，bremsstrahlung在德语中意为“制动辐射”。

每一种光发射机制都会产生一个略微不同的光轮廓。利用对轫致辐射光剖面的既定研究，研究人员表明，在更高的能量下，包括在Ulysses的探测范围内，X射线应该变得明显更暗。

“如果你对NuSTAR数据做一个简单的推断，它会显示Ulysses应该能探测到木星的X射线，”哥伦比亚大学天体物理学博士生、这项新研究的论文共同作者Shifra Mandel说道，“但我们建立了一个包括轫致辐射的模型，该模型不仅跟NuSTAR的观测结果相吻合，而且向我们表明，在更高的能量下，X射线会过于微弱，Ulysses无法探测到。”

据悉，该论文的结论依赖于NuSTAR、Juno和XMM-牛顿对木星的同时观测。

新篇章

在地球上，科学家已经在地球极光中探测到了比NuSTAR在木星上看到的能量更高的X射线。但这些辐射极其微弱--比木星的辐射微弱得多--只有通过小型卫星或高空气球才能发现，这些卫星或气球可以非常接近大气层中产生这些X射线的位置。同样，观察木星大气层中的这些排放物将需要一个靠近该行星的X射线仪器，其灵敏度要比U在20世纪90年代携带的仪器更高。

“这些排放物的发现并没有结案，它开启了一个新的篇章，”来自伦敦大学学院的研究员、该论文的论文共同作者William Dunn说道，“我们对这些排放物及其来源仍有很多疑问。我们知道旋转的磁场可以加速粒子，但我们并不完全了解它们在木星是如何达到如此高的速度的。什么基本过程会自然产生这样的高能粒子？”

科学家们还希望，研究木星的X射线发射可以帮助他们了解我们宇宙中更多的极端天体。NuSTAR通常研究我们太阳系以外的物体如爆炸的恒星和被大质量黑洞引力加速的热气盘。

这项新研究是科学家们能将NuSTAR的观测结果跟在X射线源（由朱诺号）拍摄的数据进行比较的第一个例子。这使研究人员能直接测试他们关于是什么产生这些高能X射线的想法。木星跟宇宙中的其他磁性物体--磁星、中子星和白矮星--也有许多物理上的相似之处，但研究人员并不完全了解粒子是如何在这些天体的磁层中被加速并发射出高能辐射。通过对木星的研究，研究人员可能会揭开我们还无法访问的遥远来源的细节。