旅行者2号发现天王星的大气层逃逸

旅行者2号在1986年1月14日接近天王星时拍摄了这张照片。这颗行星朦胧的蓝色是由于其大气中的甲烷吸收了红色波长的光。来源:美国国家航空航天局

美国国家航空航天局的旅行者2号宇宙飞船在进行了8年半的太阳系之旅后，已经准备好迎接另一次挑战。那是1986年1月24日，很快它就会遇到神秘的第七颗行星，冰冷的天王星。

在接下来的几个小时里，旅行者2号在距天王星云顶50,600英里(81,433公里)的范围内飞行，收集的数据显示出两个新光环、11个新月和零下353华氏度(零下214摄氏度)的温度。该数据集仍然是我们迄今为止对地球进行的唯一近距离测量。

三十年后，科学家重新检查了这些数据，发现了另一个秘密。

整个宇宙物理学界都不知道，34年前旅行者2号飞越了一个巨大的等离子体，一个巨大的磁怪球可能把大气层带到太空。这一发现发表在《地球物理研究快报》(Geophysical Research Letters)上，提出了有关地球独一无二的磁性环境的新问题。

一个摇摆不定的磁怪球

整个太阳系的行星大气都在泄漏到太空，氢气从金星涌出，加入太阳风，太阳风是一种不断从太阳中逃逸的粒子流，木星和土星喷射出带电的空气。甚至地球的大气层也在泄漏。(别担心，它还会再存在10亿年左右。)

对人类时间尺度的影响是微小的，但如果时间足够长，大气逃逸可以从根本上改变一个星球的命运，火星就是一个例子。

美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的空间物理学家、火星大气与挥发性演化项目(MAVEN)科学家Gina DiBraccio说：“火星曾经是一个潮湿的星球，有着厚厚的大气层。”“随着时间的推移”——40亿年的大气泄漏——“它演变成了我们今天看到的干燥的星球。”

动画GIF显示天王星的磁场。黄色的箭头指向太阳，淡蓝色的箭头代表天王星的磁轴，深蓝色的箭头代表天王星的旋转轴。资料来源：NASA/科学可视化工作室/Tom Bridgman

大气逸出是由行星的磁场驱动的，它可以加速也可以阻碍这一过程。科学家认为，磁场可以保护地球，抵御太阳风的大气层剥离冲击波，但它们也能创造逃逸的机会，就像当磁场线纠缠在一起时，从土星和木星中分离出来的巨大球体，不管怎样，为了了解大气如何变化，科学家们密切关注磁性。

这是天王星如此神秘的另一个原因。旅行者2号1986年的飞掠揭示了这颗行星的磁性有多么奇怪。

“它的结构，它移动的方式……”迪布拉齐奥说，“天王星确实是独立的。”

不像我们太阳系的任何其他行星，天王星几乎是完美地侧转——就像一只猪在吐口水上烤——每17个小时完成一次滚桶。它的磁场轴与自转轴之间的夹角为60度，所以当行星旋转时，由其磁场摆动而形成的空间就像一个扔得很糟糕的足球。科学家们仍然不知道如何建模。

这种奇怪的现象吸引了迪布拉西奥和她的合著者、同为戈达德太空物理学家的丹·格什曼(Dan Gershman)加入到这个项目中来。两人都是一个团队的成员，他们正在制定前往“冰巨星”天王星和海王星的新任务计划，他们正在寻找需要解决的谜团。30多年前最后一次测量到的天王星的奇怪磁场，似乎是个不错的起点。

因此，他们下载了旅行者2号的磁强计读数，当宇宙飞船飞过天王星时，它监测天王星附近磁场的强度和方向。在不知道他们会发现什么的情况下，他们比之前的研究更接近，每1.92秒绘制一个新的数据点，平滑的线条被锯齿状的尖峰和低洼所取代。就在那时，他们看到了：一个带着大故事的曲折之路。

“你认为那可能是……一个等离子体吗？”格什曼看见了那弯弯曲曲的字，就问迪勃拉西奥。

在“旅行者2号”飞越地球时，人们对等离子体知之甚少，但自那以后，等离子体被认为是行星失去质量的重要途径。这些巨大的等离子体泡泡，或称带电气体，会从一个行星的磁尾——被太阳像风向袋一样吹回去的那部分磁场——的末端挤压下来。如果有足够的时间，逃逸的类等离子体可以将离子从行星的大气中吸走，从而从根本上改变其组成。他们曾在地球和其他行星上被观测到，但还没有人在天王星上发现过等离子体。

DiBraccio通过她的处理管道运行数据，得到的结果是干净的。“我认为肯定是这样，”她说。

旅行者2号1986年飞掠天王星的磁强计数据，红线显示的是平均8分钟内的数据，这是旅行者2号之前几项研究使用的时间节奏，在黑色中，同样的数据以1.92秒的时间分辨率绘制出来，显示了等离子体的锯齿状特征。来源:美国国家航空航天局/丹Gershman

在旅行者2号45小时的天王星飞行中，DiBraccio和Gershman发现的等离子体只占了60秒。在磁强计的数据中，它表现为一个快速的上下波动。格什曼说：“但如果你把它画成3d的话，它看起来就像一个圆柱体。”

他们将研究结果与在木星、土星和水星上观察到的等离子体做了比较，估计其圆柱形至少有12.7万英里(20.4万公里)长，直径约为25万英里(40万公里)。作者认为，和所有的行星类等离子体一样，它充满了带电粒子——主要是电离的氢。

来自等离子体内部的数据暗示了它的起源，尽管一些类等离子体有一个扭曲的内部磁场，DiBraccio和Gershman观察到的却是平滑的闭合的磁环，这种类似环的类等离子体通常是由一颗旋转的行星将其大气层的碎片抛向太空而形成的，格什曼说：“离心力开始起作用，等离子体开始收缩。”根据他们的估计，在天王星的大气质量损失中，这样的类等离子体可能占15%到55%，比木星和土星都要大，这可能是天王星向太空释放大气的主要方式。

随着时间的推移，等离子体逃逸是如何改变天王星的？目前只有一组观测结果，还很难说。

迪布拉齐奥说：“想象一下，如果有一艘宇宙飞船飞过这个房间，试图描绘整个地球的特征。“显然，它不会向你展示任何有关撒哈拉或南极洲的情况。”

但这些发现有助于聚焦有关地球的新问题。剩下的谜是吸引人的部分原因。“这就是我热爱行星科学的原因，”迪布拉齐奥说。“你总是去未知的地方。”

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