遊歷太陽系八年半的時間，NASA的旅行者2號準備迎來它的另一次邂逅。那是1986年1月24日，不久後它將會遇見神秘的太陽系第七顆行星，天寒地凍的天王星。
旅行者2號在1986年1月14日接近天王星時拍攝了這張照片。天王星朦朧的藍色是因為其大氣中富含甲烷，其吸收了紅色的可見光。
圖源：NASA/JPL-Caltech
在靠近天王星的幾個小時裡，旅行者2號以81,433公里的高度飛掠天王星雲頂，收集數據並揭示了兩個新的衛星環、11顆衛星，並且測得其溫度是零下214攝氏度。這是我們有史以來唯一一次近距離測得關於天王星的一組數據。
三十年後，科學家們重新查驗那些數據時發現了一個秘密。
整個空間物理學術界不為所知的是，34年前的旅行者2號飛行時穿過了一個等離子粒團，
那個巨大的磁泡一直以來攪動著天王星的大氣層並將其拋向太空。這個發現，在《地球物理通訊》月刊上作了報道，並針對天王星獨一無二的磁力環境提出了一些新問題。
搖擺不定的磁泡
遍佈太陽系的行星其大氣都正在逃逸。金星湧出的氫被捲入太陽風的行列，太陽風像一股源源不斷的溪流由逃離太陽的粒子組成。木星和土星發射出一團團帶電氣體。甚至連地球大氣也在逃逸。（不用擔心，地球大氣還會再附著幾十億年）。
這個影響對人類來說微乎其微，但如果時間足夠長的話，大氣的一散逸會從根本上改變行星的命運。同樣情況的例子，看看火星。
“火星曾經是一個潮溼的星球並擁有厚重的大氣層。"吉娜·迪布拉希奧，她是NASA所屬的戈達德宇宙飛行中心的空間物理學家，並且是“火星大氣與揮發性演化“或稱MAVEN任務的項目的科學家。她說“火星大氣逃逸是隨著時間演化的”——逃逸持續了40億年——“最終成為我們今天看到這樣乾燥的星球”。
大氣的逃逸是由行星的磁場驅使的，磁場既能幫助也能阻礙這個過程。科學家們相信磁場能夠保護行星，它們能抵禦來自太陽風剝離大氣層的衝擊。但同時它們也能製造洩漏的機會，就像土星木星，當磁場線變得糾纏不清時，它們的巨型氣團就被甩脫了出去。不論怎樣，為了解大氣層怎麼樣變化，科學家們要密切觀察磁場。
關於天王星如此神秘的另一個原因。旅行者2號1986年的飛越揭示了其星體的磁場如何詭異。
“它的結構，就是它運動的方式...，”迪布拉西奧說，“天王星完全按自己的方式進行”。
與太陽系其他行星不同，天王星的自轉幾乎是完美的——就像叉在火架上旋轉翻烤的乳豬——每17小時完成一次桶式翻滾。它的磁軸偏離自轉軸60度，所以當其星體自轉時，它的磁層——由其磁場構成的空間——像一個被亂扔出去的皮球一樣搖擺不定。科學家們仍然不知道如何對其建模。
GIF動圖顯示天王星的磁場。黃色箭頭指向太陽，淡藍色箭頭標記天王星的磁場軸，深藍色的箭頭標記天王星的自轉軸。
這個怪現象把迪布拉西奧和她的聯合作家丹·傑士曼，戈達德中心的一位物理學家，帶到了這個項目。兩位都是項目團隊的成員並正在制定針對“冰巨星”天王星和海王星的新計劃任務，並且他們正尋求解決一些未解之謎。天王星奇怪的磁場，最後一次監測發生在30年前，這似乎是一個很好的切入點。
因此他們下載了旅行者2號磁力計的讀數，監測飛行器當時飛越的天王星附近磁場的強度和方位。抱著不知能發現什麼的心理，他們更深入細緻的查看之前的研究，測得一個每隔1.92秒出現的新數據點。原本平滑的數據線被參差不齊的起落取而代之。那就是它被見證的時刻：一個微小的Z字起伏後面藏著了不起的故事。
"你覺得那會是...一個等離子粒團？”傑士曼問迪布拉西奧，看著這個彎彎曲曲線條。
磁力計數據來自旅行者2號1986年飛越天王星時採集。紅線展示的是平均8分鐘內的數據，這一段節奏被用於之前幾次段旅行者2號研究工作。同樣段數據以1.92秒段時間分辨率繪製出來，揭示了等離子粒團的Z字特徵。
圖源：NASA/Dan Gershman
當時旅行者2號的飛掠不會有人知道，等離子粒團從此被認定為行星質量流失的重要方式。
這些由等離子體組成的巨團，或者說帶電氣體，從行星的磁尾末端掐斷下來——它的磁場部分則像風向標一樣被太陽回沖過去。經過足夠的時間，脫離的等離子粒團能從行星大氣中吸收離子，而從根本上改變其結構。他們對地球和其他行星進行過觀察，但沒人在天王星探測到等離子粒團——尚未發現。
迪布拉西奧把數據放進她的處理管道運轉然後得到了清晰的結果。“我確定它就是等離子粒團。”她說到。
逃逸的氣泡
迪布拉西奧和傑士曼發現的等離子粒團在長達45小時的飛越天王星過程中，僅僅持續了60秒時間。它在磁力計數據中的出現呈現一種快速上下波動的方式。“但如果你以3D來繪製，它看起來是個圓柱體。”傑士曼說。
相比他們在木星、土星和水星觀測等離子粒團而得出的結論而言，他們估計圓柱體形狀的長至少有204，000公里，且寬大概相當於400，000公里。作者們相信，和所有行星等離子粒團一樣，它裝滿了帶電粒子——主要是電離氫。
等離子粒團內得到到數據——旅行者2號穿過它時讀取——暗示了它的起源。儘管一些等離子粒團內部磁場扭曲，迪布拉西奧和傑士曼還是觀測到了平滑閉合的磁環。這種環狀等離子粒團由行星自轉將其大氣的碎片甩出到太空而特別形成。“離心力接棒繼續作用，從而剪斷了等離子粒團”，傑士曼解釋到。據他們估計，這樣的一個等離子粒團佔到天王星大氣質量流失的15%-55%，這個佔比遠高於木星和土星。這也許是天王星大氣散發到太空的主要方式。
等離子粒團的逃逸如何隨時間改變了天王星？僅依靠一組觀測報告，這很難解釋。
“試想假如有一艘航天器剛巧飛越這間房屋而卻想要描繪出整個地球，”迪布拉西奧接著說到，“顯然這就很難描繪一些事物的樣子，比如撒哈拉沙漠或者南極。”
但是這些發現也幫助針對這顆行星而聚焦到新問題。那些未解之謎也是這些關注內容的一部分。迪布拉西奧說到，”這就是我為什麼熱愛行星科學，因為它讓你一直行進在通往未知的路上。”
作者：nasa
FY：Patrick
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