探秘木星红外极光：解开 H3+离子的神秘面纱，洞察行星磁层奥秘

为解决木星 H3+发射时间变化、能量预算及相关物理过程不明等问题，研究人员利用詹姆斯?韦伯太空望远镜（JWST）和哈勃太空望远镜（HST）对木星红外极光 H3+发射展开研究。结果发现其形态多变，H3+寿命为 150±4 秒等。该研究为了解木星磁层和电离层提供了新视角。

　　在浩瀚的宇宙中，木星犹如一颗璀璨的明珠，吸引着无数天文学家的目光。木星的极光现象一直是科学界关注的焦点，其中由三原子氢离子（H₃⁺）产生的红外极光，对于理解木星的磁层和上层大气能量收支至关重要。然而，此前对于木星 H₃⁺发射的整体时间变化了解甚少。地面观测受时间分辨率和大气视宁度限制，无法精确捕捉其快速变化；太空观测虽有进展，但仍存在诸多不足，如 Juno Jovian Infrared Auroral Mapper（JIRAM）成像覆盖范围小，且实际同时进行的远紫外线（FUV）和近红外线（NIR）观测极为罕见，导致 H₃⁺在木星能量预算中的重要性难以确定。

为了揭开木星红外极光 H₃⁺发射的神秘面纱，来自英国莱斯特大学、美国波士顿大学、美国加利福尼亚大学伯克利分校等机构的研究人员，利用詹姆斯?韦伯太空望远镜（JWST）和哈勃太空望远镜（HST）展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解木星的磁层和电离层提供了全新的视角。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：使用 JWST 的近红外相机（NIRCam）对木星北部极光 H₃⁺发射进行观测，获取高分辨率图像；利用 HST 的空间望远镜成像光谱仪（STIS）同步观测 H₂发射；通过 NIRSpec 对极光区域进行光谱观测，以评估非 H₃⁺对辐射的贡献。同时，对观测数据进行一系列处理，包括图像校准、背景扣除、投影变换等，从而进行深入分析。

研究结果

1. 形态概述：观测到木星北部极光 H₃⁺发射的多种形态特征，如主发射（ME）、中午活跃区域（NAR）、黄昏活跃区域（DAR）、Io 足迹（IFP）尾等。这些特征在 FUV 波段也有类似形式，但此次观测具有更高的时间分辨率。
2. 时间特征：H₃⁺发射形态变化多样，整个 ME 极向区域存在许多时间尺度小于 10 - 15 分钟的瞬变。DAR 最为明亮且变化最大，NAR 也高度可变，Swirl 区域变化较为缓慢，黎明侧 ME 相对稳定，黑暗极区（DPR）平均辐射率最低但有短爆发。还观测到 “extinctions” 现象，即局部区域 H₃⁺辐射率在约 10 秒内骤降近 2 倍。此外，发现了快速向东传播的极光脉冲（REAPs）和沿 IFP 尾快速传播的脉动。
3. 与 FUV 图像对比：对比 H₃⁺和 FUV 形态，发现 DPR 在 FUV 中更暗，而 H₃⁺ DAR 发射在 FUV 中无明显对应。通过分析能量通量，发现不同区域 H₃⁺冷却效率差异显著，部分区域 H₃⁺冷却基本平衡气体加热率，而其他区域则存在净加热或净冷却。利用一次极光耀斑，通过比较 H₂和 H₃⁺光变曲线，确定 H₃⁺寿命为 150±4 秒。

研究结论与讨论

研究表明，木星 H₃⁺形态比以往观测推断的更具可变性。H₃⁺寿命的确定，为估算极光电离层电子数密度提供了依据，同时也表明 H₃⁺无法有效辐射突发降水沉积的能量。DAR 发射的能量通量大于降水能量通量，其起源尚不清楚，这凸显了我们对木星电离层和 H₃⁺产生机制理解的不足。REAPs 和 IFP 尾脉动的起源也有待进一步研究。

这项研究意义重大，它不仅让我们对木星红外极光 H₃⁺发射有了更深入的认识，也为研究其他外行星的极光现象提供了参考。未来，通过更多的观测和建模工作，有望进一步揭示木星磁层和电离层的奥秘，为行星科学的发展做出更大贡献。