木星和土星有热量并且来自于极光

　　木星和土星，是两颗气态巨行星；天王星和海王星，是两颗冰态巨行星，它们一直被公认为是太阳系内最为冰冷的领域。
　　直到美国旅行者号航天器在20世纪70年代末和80年代从它们身边驶过时，科学家们才发现这四个冰冷的世界都在散发着行星热。
　　这一发现就像在冰箱里发现一团篝火一样令人震惊。
　　地面望远镜以及伽利略号和卡西尼号航天器的后续观测表明，它们的行星范围内的发热一直持续到现在，并且温度很高。
　　例如，木星的低纬度地区，应该是寒冷的-110摄氏度。然而，那里的大气层则高达325摄氏度。
　　那么问题来了，木星上的热点从何而来？
　　一支日本天文研究团队发现了木星和土星的热量来源，那就是它们的极光。
　　这些结果来自于对这两颗气态巨行星高层大气的详细测量。
　　土星的大气温度是由卡西尼号航天器在最终使其进入该行星的机动过程中拍摄的；木星的大气温度是用夏威夷一座巨型火山顶上的望远镜拼接而成的。
　　两者都显示，在两个磁极下面的极光区附近，大气层是最热的。
　　当接近赤道时，温度就会下降。
　　很明显，极光带来了热量。
　　而且，就像散热器一样，热量随着距离的增加而减少。
　　行星，从我们自己的太阳系中的行星到那些围绕遥远恒星运行的行星，大气层并不总是恒久不变的。
　　许多气体包络层随着时间的推移而被破坏，在某些情况下，将巨大的世界变成微小的且不适合居住的躯壳。
　　天文学家希望能够将这些行星与可居住的、类似地球的行星区分开来。
　　首要前提是要知道外层大气的温度，因为那是气体流失到太空的地方。
　　目前，地球上的北极光和南极光还没有被完全理解，但基本情况是清楚的。
　　太阳向太空发射了大量的磁场和高能粒子，称为太阳风。
　　当太阳风到达地球时，它们与地球自身的磁泡发生作用，被称为磁层。
　　然后高能粒子螺旋式下降到地球的南北磁极。
　　在那里，它们在高层大气中撞击气体原子和分子。
　　这些撞击使气体暂时获得能量，从而发出可见的闪光。
　　一般而言，极光需要三种成分：高能粒子源、磁场和大气层。
　　木星和土星恰恰具备这三种要素，但是这两个星球的极光都不像地球的极光。
　　地球的磁场来自于我们脚下深处的液态镍铁合金的搅动。
　　但是木星和土星作为气态巨行星并没有液态铁的核心。
　　这些行星的巨大引力挤压着其外核中大量的液态氢，以至于氢的电子被释放出来。
　　这个过程将氢变成了一种产生磁力的金属。
　　木星的磁层是太阳系中最大的结构，它的尾巴一直延伸到土星，甚至可能更远。
　　气态巨行星并不能依靠来自太阳风的丰富的高能粒子或等离子体的供应，这些粒子会随着与太阳的距离增加而消散。
　　它们依靠的是火山炼金术的行为。
　　木星的大部分等离子体来自它的卫星木卫一，这是科学界已知的最多火山的物体。
　　木卫二的岩浆喷发几乎持续不断，将大量的火山物质抛入太空；在那里，它沐浴在阳光下，变得电光火石，然后洒向木星。
　　土星的大部分等离子体来自于土卫二，这是一颗镜子般的冰冷卫星，向太空喷射出壮观且冰冷的水态物质。
　　这些等离子体射入行星的扩张性磁层，使它们加速进入两极。
　　在那里，等离子体中的带电粒子与大气中的气体分子发生碰撞。
　　土星上的极光主要是发出紫外线；在木星上，它们既有紫外线也有红外线的波长。
　　制造光的过程与制造热的过程虽然不同，但都是跟摩擦相关。
　　等离子体通过场线流向行星的磁极，磁化的太阳风延伸到很远的空间。
　　这些太阳风和行星一起旋转，但是它们有时很难跟上节奏。
　　例如，木星每10小时旋转一次。
　　当这些等离子体流落后于行星的旋转时，木星强大的西风就会推动它们。
　　这些风对缓慢移动的等离子体流的拖曳产生了摩擦。
　　而这种摩擦产生了热量，在木星的情况下，也许比该行星从太阳获得的热量多125倍。
　　天文学家一直在想，极光是否是那些行星发热的来源。
　　几十年来，极光中存在大量的能量。
　　但是为了从怀疑到确定，天文学家需要一张地图：具体来说，就是气态巨行星和冰态巨行星的热图。
　　有了热图，天文学家就可以看到最高温度是否可以叠加到极光上，以及这种热量是否在整个星球上扩散。
　　2017年，在围绕土星运行了13年之后，NASA的卡西尼号航天器在反复潜入土星和土星环之间时，对该行星进行了22次绕行。
　　当时航天器在土星的云层中燃烧起来，让卡西尼号对这个世界有了前所未有的近距离观察。
　　当卡西尼号接近土星时，它透过该行星的大气层，窥视着外面明亮的星星。
　　来自这些恒星的光线似乎根据光线穿过的大气层的密度而变化。
　　气体的密度和温度是相关的，因此研究人员使用了几十次这样的测量，即所谓的恒星掩星，为土星上层大气的白天和夜晚制作了详细的热图。
　　当时的热图显示了极光周围的热峰值，以及向赤道方向温度的缓缓下降。
　　当然，这似乎是极光在发挥作用。
　　但专家认为，如果在土星上的能量再分配理论是正确的，它也必须在木星上起作用。
　　最新的研究发现，专家认为的似乎是正确的。
　　将木星的上层大气发热归因于它自己的极光也需要一张热力图。
　　但是制作这样一张地图并非易事。
　　这个星球混乱的上层大气每周都在变化，任何热流的证据随时都会消失。
　　研究人员需要的是在一个相对短暂的时间内制作的全球热力图--一个显示几个小时内热力流动的地图。
　　因此，研究人员选择了夏威夷休眠的茂纳克亚火山顶上的凯克天文台。
　　在那里，研究人员用红外光观察木星，每个晚上都是5小时。
　　在每个夜晚的观察过程中，创建了木星日面的高分辨率热图。
　　地图清楚地显示，极光区周围的温度达到了峰值，达到了惊人的730摄氏度。
　　接近赤道时，这种热逐渐下降，那里的水银仍然达到了325度。
　　最终的结果与卡西尼号在土星上看到的情况相一致。
　　在对土星进行观测时，卡西尼号发现，在某些情况下，对土星大气层低层的干扰会导致该层迁移到大气层上部。
　　这种反转可能会扰乱并减缓上层大气强大的西风--也许足以让极光的热量泄露出去。
　　在理论上，这种机制也可以适用于木星。
　　但是气态巨行星的上层大气缺乏云层运动的明确标志，这使得研究那里的风具有很大的挑战性。
　　尽管有挥之不去的疑惑，将极光确定为木星和土星的热点来源，大大加强了人们对这些世界的了解。
　　然而，天王星和海王星仍然被笼罩在不确定性的迷雾中。
　　它们有不同的大气层、磁场和旋转行为，这意味着对气态巨行星有效的方法可能对冰态巨行星是无效的。
　　它们如此遥远，以至于我们很难用地球上的望远镜看到它们的细节，而且看起来在可预见的未来，它们不会被任何一个航天器访问。
　　在那一天到来之前，这些遥远的领域仍将是陌生的。