木星的极光变得更加复杂
James Webb Space Telescope已经提供了木星北极光中由该行星Galilean卫星创造的亮点的首次红外光谱，这些结果正在挑战科学家对这颗巨行星magnetosphere如何工作的理解。观测表明，木星火山卫星Io的极光足迹在温度和密度上的变化远超预期。
木星的极光是太阳系中最强大的，由沿着该行星巨大磁场线螺旋运动的带电粒子产生，并撞击上层大气。与主要由太阳风驱动的地球极光不同，木星的极光主要由其卫星喷出的物质驱动——特别是Io，它从其火山表面每秒喷出大约一吨的二氧化硫气体。
Io的极光足迹在显微镜下
木星的四个Galilean卫星中的每一个都在木星的极光中产生一个独特的亮点，当它们在magnetosphere中运动并产生沿磁场线传播到大气的电磁扰动时。Io的足迹最亮，最被深入研究，自从Hubble Space Telescope在1990年代首次发现它以来，在紫外观测中都是可见的。
JWST的Near-Infrared Spectrograph以前所未有的细节观测了这些足迹，测量了三到五微米波长范围内分子氢的发射线。这些谱线对被进入的带电粒子激发的大气气体的温度和密度都很敏感，提供了仅紫外观测无法提供的诊断信息。
结果显示Io的极光足迹在数小时到数天的时间尺度上温度和密度都急剧变化。温度波动的范围是现有magnetospheric模型无法轻易解释的，表明Io的plasma torus与木星磁场之间的相互作用比以前理解的要复杂和动态得多。
是什么导致了这种变异性
人们正在考虑几种假设来解释这种极端的变异性。一种可能是Io的火山喷发量的变化——已知随着不同的火山中心变得更或更少活跃而波动——改变了plasma被注入magnetosphere的速率，导致沉积到木星大气中的能量发生变化。
另一个假设涉及木星magnetosphere中的magnetic reconnection事件，类似于在地球上产生极光亮化的substorm。如果磁场线定期重新连接并释放储存的能量，它们可能会产生粒子降水的爆发，暂时将极光足迹加热到极端温度。
第三种可能是变异性反映了将Io连接到木星大气的Alfven wave系统的变化。这些电磁波从月球向行星传递能量，它们通过木星周围复杂的plasma环境的传播可能会产生交付功率的波动。
对Magnetosphere科学的影响
木星的magnetosphere是太阳系中最大的结构，从行星延伸到数千万公里。它是研究magnetized plasma过程的自然实验室，这些过程发生在整个宇宙中，从其他行星到pulsars和active galactic nuclei。
JWST观测表明，即使是最好的当前木星magnetosphere模型也缺少关键物理。Io极光足迹的极端变异性表明magnetospheric条件的快速、大规模变化，稳态模型无法重现。这一发现可能会促进新一代时间相关模拟的发展，这些模拟能够捕捉Io、plasma torus和木星大气之间的动态耦合。
Europa和Ganymede的足迹
JWST还观测了Europa和Ganymede的极光足迹，尽管这些明显比Io的淡。初步分析表明，这些足迹更稳定，与这些卫星相比于火山活跃的Io的较低plasma生成率一致。然而，Ganymede的足迹显示了与其自身intrinsic magnetic field相关的一些独特特征——太阳系中唯一已知拥有这种特征的月球。
这些观测仅代表JWST对木星科学贡献的开始。未来几年计划的观测将在更长时间尺度上追踪极光足迹，可能会将变化与Io上的特定火山事件或由其他任务观测到的magnetospheric动态关联起来。ESA的JUICE spacecraft目前正在前往木星，计划在2031年到达，将提供可能有助于解释JWST从远处看到的东西的互补in-situ测量。
本文基于Universe Today的报道。阅读原文。
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