天文学家揭开了气体巨星的热源之谜，木星和土星的秘密
在这张由美国宇航局的卡西尼号飞船拍摄的合成图像中，可以清晰地看到土星的极光。蓝光对应的是反射的阳光，红光对应的是土星自身的热量，绿光对应的是极光中氢离子的放射。
他们生活在遥远的，被太阳“冷落”的太阳系，木星和土星（气体巨星），天王星和海王星（冰巨星），一直被认为是寒冷的地方。但是，当美国宇航局的旅行者号宇宙飞船在上世纪70年代末和80年代经过它们时，科学家们发现所有这四个星球都在发烫——这一发现就像在冰箱里发现了篝火一样令人震惊。
地面望远镜以及伽利略号和卡西尼号宇宙飞船的后续观察表明，它们在整个行星范围内的热量一直持续着。例如，木星的低纬度应该是零下110摄氏度。相反，那里的大气温度在325摄氏度。这背后未知的热源是如何不仅使行星上的一个点变暖，而是使整个上层大气变暖的呢？
科学家们试图解释这种现象，但困惑了大约50年，日本航空航天局的行星天文学家詹姆斯·多诺霍（James O 'Donoghue）说。现在有两篇论文最终揭示了所有热量的来源：木星和土星的北极光和南极光——它们的极光。
这些结果来自对这两颗气态巨星上层大气的详细测量。这两项研究都表明，在两个磁极之下的极光区附近，大气温度最高。接近赤道时，温度会下降。很明显，极光带来了热量，就像散热器一样，热量随着距离的增加而减少。
这段视频展示了哈勃太空望远镜观测到的木星极光。极光是用远紫外线拍摄的，然后叠加在行星的可见光图像上。
这一发现可能会产生深远的影响。行星——从太阳系的行星到那些围绕遥远恒星运行的行星——并不总能保护住它们的大气层。随着时间的推移，许多气体会被破坏。研究人员希望能够将这些行星与可居住的类地行星区分开来。
外星极光
地球的北极光和南极光还没有被完全了解，但基本情况已经很清楚了。
太阳向太空发射一连串的磁场和高能粒子，形成所谓的太阳风。当这些太阳风到达地球时，它们会与地球自身的磁层相互作用。这些高能粒子然后下降到地球的南北磁极。在那里，它们撞击上层大气中的气体原子和分子。这些撞击会暂时激发气体，释放出可见的闪光。
一般来说，形成极光需要三个要素：高能粒子的来源，磁场和大气。木星和土星都有这三个要素，但这两颗行星的极光都不像地球上的极光。
地球的磁场来自于地下深处的液态镍铁合金的流动。但这两颗气态巨行星的核心并不是液态铁。相反，它们巨大的引力将其外核中体积巨大的液态氢挤压，以至于氢的电子逃出。这个过程把氢变成了一种产生磁性的金属。
木星的磁层“是太阳系中最大的结构，它的尾巴向下延伸到土星，甚至更远的地方。
气体巨星也不能依赖来自太阳风的大量高能粒子或等离子体，这些粒子会随着距离太阳越来越远而消散。木星的大部分等离子体来自于它的卫星木卫一，而木卫一是科学界已知的火山活动最多的天体。木卫一近乎恒定的岩浆喷发将大量的火山物质喷射到太空中，然后溅落到木星上。土星的等离子体大部分来自土卫二，这是一颗镜面状的冰质卫星，它向太空喷射出壮观的冰水物质。
这些等离子体射入行星的磁层，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碰撞。
土星上的极光主要发出紫外线。但是产生光的过程和产生热的过程是不一样的。等离子体通过磁力线流向行星的磁极——磁化的卷须延伸到遥远的太空。这些卷须和它们的等离子体流随行星旋转。但他们有时很难跟上节奏。例如，木星每10小时旋转一次。当这些等离子体流滞后于木星的旋转时，木星强大的风就会穿过它们。这些风对缓慢移动的等离子体流的阻力会产生摩擦。这种摩擦产生热量——就木星而言，可能比它从太阳获得的热量多125倍。
因此，天文学家一直想知道极光是否是这些行星发热的源头就不足为奇了。几十年来，很明显极光中存在着大量的能量。但是为了将怀疑变为确定，天文学家需要一张气体巨星和冰巨星上层大气的热图。有了它，他们就可以看到最高温度是否会叠加在极光上，以及这些热量是否会扩散到整个行星上。
2017年4月，在环绕土星轨道运行了13年之后，美国宇航局的卡西尼(Cassini)飞船被命令做了一件了不起的事情：绕土星运行了22圈，于2017年9月15日结束，飞船在土星的云层中穿梭，给了卡西尼一个独一无二的特写视角。
当卡西尼号接近土星时，它透过土星的大气层凝视着远处明亮的恒星。这些恒星发出的光似乎会随着光线穿过的大气密度而发生变化。气体的密度和温度是相关的，所以研究人员使用了数十种被称为恒星掩星的测量方法，为土星上层大气的白天和夜晚绘制了详细的热图。
去年发表在《自然天文学》杂志上的热图显示，极光周围出现了热峰值，而赤道附近的温度则出现了缓慢的下降。
似乎极光确实是“罪魁祸首”。但是，“如果我们关于土星上能量再分配的理论是正确的，那么它也必须在木星上起作用，”布朗说，他是土星研究的主要作者。
将木星上层大气的发热归因于其自身的极光也需要一张热图。但制作这样一幅热图远非易事。这颗行星混乱的上层大气每周都在变化。你不能只在两极附近测量一个晚上，然后几周后再回来，把它与赤道附近的测量结果进行比较。随着时间的推移，天空会发生重大变化，任何热流的证据都会消失。
研究人员需要的是在一个相对短暂的时间内绘制的全球热图——显示几个小时内热量的流动。
研究人员利用位于夏威夷的凯克天文台。他们在2016年4月14日和2017年1月25日的两个晚上用红外线观测木星，每个晚上观测5个小时。在每晚的过程中，他们创造了木星白天的高分辨率热图。这两张热图都清楚地显示了极光区的温度达到了顶峰，达到了惊人的730摄氏度。当接近赤道时，温度的顶点逐渐下降，但那里的温度仍然能达到325度。
他们的研究结果，目前已被《自然》杂志接受，与卡西尼号在土星上的观测结果一致。这些结果被认为是“极光就是热源”的有力证据。发现了极光加热的作用是天文学的一大进步 。
大多数独立研究人员似乎相信，全球范围内的发热是由极光引起的。英国莱斯特大学的行星科学家利·弗莱彻说，这些论文提供了“一个非常好的证实，证明我们所怀疑正在发生的事情确实发生了”。“能量正从极光向低纬度地区传输。”问题是：怎么传输的？
风的力量
大多数的大气环流模型都在将极光的热量通过木星和土星的风转移到赤道。然而，热图显示事实并非如此。卡西尼号发现，有时，对土星大气层下层的扰动会导致该层迁移到上层大气。这样的逆温可能会扰乱并减缓高层大气强大的风。
理论上，这种机制也适用于木星。但气体巨星的上层大气缺乏运动的清晰标志，这使得研究那里的风极具挑战性。就目前而言，热源之谜的这一部分仍是一个没有答案。
强烈的太阳风活动会对木星的磁层施加压力。先前的研究表明，当这种压缩发生时，木卫一的等离子体流可以迅速被推到高层大气中。额外的等离子体给了那些强大的风更多的推力，这可能会产生一个加热尖峰。
一研究团队在2017年1月25日左右，观察到太阳风活动相对较高，已经炎热的高层大气温度急剧上升。研究小组同时发现了一个奇怪的高温结构从极光带向赤道移动。这些现象在2016年4月14日观测期间没有出现，当时太阳风活动相对平静。
该团队推测，2017年初爆发的太阳风活动可能挤压了行星的磁层。但其他因素也可能起作用。尽管这些难题挥之不去，但最终确定极光是木星和土星的大气热源，极大地增加了我们对这些世界的理解。然而，天王星和海王星仍然笼罩在不确定的浓雾中。它们有不同的大气、磁场和旋转行为，这意味着对气体巨星有效的方法可能对冰巨星无效。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，它们似乎不会被其他航天器访问。在那一天到来之前，这些遥远的“国度”仍将是陌生人。