科学探索|NASA NuSTAR发现有史从木星探测到的最高能量的光 NASA|NuSTAR发现有史从木星探测到

自20世纪70年代以来，科学家们一直在近距离研究木星，但这个气体巨头仍充满了神秘。NASA NuSTAR空间观测站的新观测结果显示了从木星检测到的最高能量的光。这种光是NuSTAR能够探测到的X射线形式，也是迄今为止从地球以外的太阳系行星探测到的最高能量的光。

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《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。

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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。

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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。”