发现天王星的极地光芒 冰冷系外行星生命的新提示

2006 年北部红外线极光的艺术表现（红色标记）。红色较深的位置表示已确认的极光位置，红色较浅的位置表示可能出现极光的位置。天王星的背景图片归功于 NASA、ESA 和 M. Showalter（SETI 研究所），这是 2005 年 8 月哈勃太空望远镜观测到的（可见光谱）。图片来源：NASA、ESA 和 M. Showalter（SETI 研究所）于 2005 年 8 月用哈勃太空望远镜观测到的天王星背景图片（可见光谱）。

自 1986 年以来，天王星的紫外线（UV）极光一直被观测到，但直到现在才观测到红外线极光。科学家们的结论于 10 月 23 日发表在《自然-天文学》（Nature Astronomy）杂志上。

3.4 和 4.0μm 之间的平均发射光谱，其中标注了在特定波长位置发现的有价值的 H3+ 发射线（称为 Q 线）的位置，每条发射线的亮度由行星大气中 H3+ 粒子的温度和密度决定。资料来源：莱斯特大学

磁错位和极光

冰巨行星天王星和海王星是太阳系中不同寻常的行星，因为它们的磁场与旋转轴错位。虽然科学家们还没有找到原因，但天王星的极光可能是其中的线索。

极光是由高能带电粒子造成的，这些粒子通过行星的磁场线被漏斗状地抛下并与行星的大气层发生碰撞。在地球上，这一过程最著名的成果就是北极光和南极光。在天王星等行星上，大气层主要是氢和氦的混合物，这种极光会发出可见光谱以外的光，如红外线（IR）波长的光。

望远镜成像仪（2006 年 9 月 5 日）聚焦天王星时的浓缩视频，可见卫星泰坦尼娅、米兰达、翁布里尔和奥伯龙。影片中的所有天体都有双重曝光，这是一种减影效果，可以在我们仰望天空时将地球大气层的影响降到最低。在这部影片中，我们还看到了可能存在的星系和恒星！资料来源：莱斯特大学

方法和发现

研究小组利用凯克 II 望远镜，通过分析行星发出的特定波长光线，进行了红外极光测量。由此，他们可以分析这些行星发出的光（称为发射线），类似于条形码。在红外光谱中，一种被称为 H3+ 的带电粒子所发射的光线会因粒子的冷热程度和这层大气的密度不同而亮度不同。因此，这些红外光谱线就像是地球的温度计。

他们的观测结果表明，天王星大气层中的 H3+ 密度明显增加，而温度几乎没有变化，这与红外极光的存在所导致的电离现象一致。这不仅有助于我们更好地了解太阳系外行星的磁场，还可能有助于确定其他适合孕育生命的行星。

天王星上层大气在 6 小时内测量到的红外亮度，用黑色边框突出显示的区域，没有散点或圆点，是发射（极光）增强的位置。杂色区域表示可能有极光，但信号太弱，无法确认；点状区域表示这些点没有极光。资料来源：莱斯特大学

影响和未来研究

第一作者艾玛-托马斯（Emma Thomas）是莱斯特大学物理与天文学院的一名博士生，他说："包括天王星在内的所有气态巨行星的温度都比模型预测的温度高出数百开尔文/摄氏度（如果仅仅是被太阳加热的话），这就给我们留下了一个大问题：这些行星怎么会比预期的温度高出这么多？一种理论认为，高能极光是造成这种现象的原因，它产生并将极光的热量向下推向磁赤道。"

测量到的天王星上层大气的红外亮度与行星自转时产生的磁场线环相结合（这就产生了我们在大多数极光中看到的椭圆形）。这些环被称为壳，我们预计大部分极光信号会出现在虚线和虚线之间（如 1986 年所见），我们的部分结果确实如此。资料来源：莱斯特大学

"迄今为止发现的系外行星大多属于海王星以下类别，因此在物理大小上与海王星和天王星相似。这可能也意味着类似的磁场和大气特征。天王星的极光与行星的磁场和大气层直接相关，通过分析天王星的极光，我们可以预测这些世界的大气层和磁场，从而预测它们是否适合生命存在。这篇论文是天王星极光研究 30 年的结晶，最终揭示了红外极光，开启了天王星极光研究的新时代。我们的研究成果将继续拓宽我们对冰巨星极光的认识，加强我们对太阳系、系外行星甚至我们自己星球的行星磁场的了解"。

这些结果还可能让科学家们深入了解地球上的一种罕见现象，即南北极切换半球位置，这种现象被称为地磁反转。

艾玛补充道："我们对这种现象的研究不多，因此不知道这会对依赖地球磁场的系统（如卫星、通信和导航）产生什么影响。然而，由于自转轴和磁轴的独特错位，天王星每天都在发生这种过程。对天王星极光的持续研究将为我们提供数据，说明当地球未来出现磁极反转时，我们可以期待什么，以及这对地球磁场意味着什么"。