土星磁場因熱電漿爆發而膨脹

Saturn's magnetic field inflated by hot plasma explosions
http://www.physorg.com/news/2010-12-saturn-magnetic-field-inflated-hot.html

By Jia-Rui Cook, December 15, 2010

(PhysOrg.com) -- 一項基於 NASA Cassini 太空船資料的分析發現，來自土星磁場的神秘週期性訊號以及該行星四周熱離子氣體（所謂的電漿）爆發間的因果關聯。

科學家已發現，巨大的電漿雲會週期性地在土星周遭出現，而且繞行這顆行星時，像裝載不平衡的洗滌物般旋轉。在土星旋轉磁性環境的測量中，熱電漿的運動製造出一種反覆的「重擊（thump）」，且幫忙解釋為何科學家在測量土星一日的長度上會這麼困難。

"這是一項突破，也許會指引我們到神秘變化週期性的根源，那遮蔽土星的真實自轉週期，" Pontus Brandt 說，這篇文章的領導作者，同時也是位於 Johns Hopkins 大學應用物理實驗室的 Cassini 團隊科學家。"現在的大問題是，為何這些爆發會週期性發生。"

資料證明，電漿噴射、電流與土星的磁場 -- 這些現象人眼看不到 -- 是如何參與一場複雜的舞蹈設計。週期性電漿爆發來自繞著土星旋轉的磁壓島狀物（islands of pressure，譯註：詳見原站圖示）。這些磁壓島狀物使得磁場「膨脹」。

視覺化畫面顯示土星磁氣圈中看不見的熱電漿在回應磁壓時如何爆發與扭曲磁場線。土星的磁氣圈並非一個完美的泡泡，因為它被太陽風（那包含自太陽流出的帶電粒子）的力量往後吹。

太陽風的力量使遠離太陽那一側的土星磁場延展成所謂的磁尾（magnetotail）。磁尾的崩潰顯然開始一種導致熱電漿爆發的過程，那接著使內磁氣圈的磁場膨脹。

科學家仍在研究是什麼導致土星磁尾崩潰，而這裡有強烈暗示指出，寒冷、稠密的電漿源自於繞土星旋轉的土衛二（Enceladus）。離心力拉緊磁場直到部份的尾端迅速復原（snaps back）。

迅速恢復的熱電漿繞著土星，而變熱的電漿則被磁場陷住。那繞著島中星球以大約每秒 100 公里（20萬 mph）的速度旋轉。在相同方式中，地球上的高壓與低壓系統形成風，太空的高壓則引發電流。電流造成磁場扭曲。

有種無線電訊號稱為土星公里輻射（Saturn Kilometric Radiation），科學家用以估計土星一日的長度，與土星磁場的行為密切相關。因為土星沒有表面或定點來測量其自轉速率，所以科學從這類輻射放射峰值的時機（那被假定在行星每自轉一圈時都會出現一次高漲）來推論自轉速率。這種方法對木星有效，不過土星的訊號不盡相同。1980 年代初期由 NASA 的航海家（ Voyager）太空船所完成測量以及 2000 年由 ESA/NASA Ulysses 任務所獲得的資料，再加上 Cassini 從 2003 至今的資料，都呈現出一種小但顯著的程度。結果，科學家並不十分確定土星一日有多長。

"這項新研究重要的地方在於，科學家開始描述某些複雜、不可見的力量間全面、具因果關係的關聯，那塑造出土星的環境，" Marcia Burton 表示，位於 NASA JPL 的 Cassini 場與粒子研究科學家。"這些新結果仍沒有告訴我們一個土星日的長度，不過它們的確賦予我們重要的線索，讓我們開始將其描繪出來。土星日的長度，或土星的自轉速率，在確定土星的基本特性上很重要，例如其內部結構以及它的風速。"

電漿不為人眼所見。不過 Cassini 磁氣圈成像儀器上的離子與中性相機，透過偵測圍繞土星四周的電漿雲所發散出來的高能中性原子，得以提供三維的視野。當自寒冷、中性的氣體與電漿雲中的帶電粒子碰撞，會形成高能中性原子。所產生的粒子電荷為中性，故它們能逃脫磁場迅速進入（zoom off into）太空。這些粒子的發散通常發生在環繞行星四周的磁場中。

透過將每隔半小時所得到的影像串在一起，科學家製造出電漿漂浮在行星四周時的電影。科學家利用這些影像來重建電漿雲所製造的 3D 壓力，並透過取自 Cassini 電漿光譜儀的磁壓資料來增補這些結果。一旦科學家了解磁壓及其演化，他們就能夠沿著 Cassini 的航行路線計算相關的磁場擾動。算出來的場擾動與所觀測到的磁場「重擊」完美相符，證實了場振盪的來源。

"我們都知道，變化的自轉週期已在脈衝星（pulsars）上被觀測到，那距離我們太陽系有幾百萬光年遠，而現在，我們發現，類似現象就在土星上被觀測到，" Tom Krimigis 說，磁氣圈成像儀器的主要研究者，他也是應用物理實驗室以及希臘雅典學院的研究者。"在其剛好發生之處利用儀器，我們能明白，電漿流與複雜的電流系統能遮蔽中心天體的真正自轉週期。這就是在我們太陽系中的觀察如何能幫助我們理解，在遠方的天體物理學物體中看到了什麼。"

※ 相關資訊：

＊ NASA - Cassini
http://www.nasa.gov/cassini

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