太空探索／電漿雲爆發　解開土星真實自轉速度之謎

2010/12/31   (9178)   原稿來源: http://tw.news.yahoo.com/artic

土星周圍會週期性地出現大量熱電漿雲，不僅會讓土星磁場變形或膨脹，當它們繞行土星時，會使土星磁場環境的測量產生重複出現訊號，這些訊號遮蔽了土星真正的自轉週期訊號，科學家終於得以瞭解為何難以測量土星真正的一天長度。不過現在卻出現新的問題：為何會週期性地發生這些電漿雲爆發活動？

根據卡西尼號太空船（Cassini）觀測資料，科學家發現土星磁場發出的神秘週期性訊號和熱電漿（離子氣體）之間有因果關係。約翰霍普金斯大學科學家Pontus Brandt等人發現土星周圍會週期性地出現大量熱電漿雲，這些位在土星磁圈中的熱電漿雲肉眼看不見。

土星磁圈並不是對稱的，受到來自太陽的太陽風帶電粒子的影響，面對太陽風的一側被壓縮，背對太陽風的一側則向外延伸，形成所謂的「磁尾（magnetotail）」。通常當磁尾萎縮時，似乎就是熱電漿爆發的開始，造成磁圈內側的磁場向外膨脹。

科學家仍在研究磁尾萎縮的原因，有強烈證據顯示低溫而緻密電漿是源自土衛二（Enceladus）繞土星公轉的過程中，離心力不斷拉扯磁場，直到部分磁尾迅速縮回，使土星周圍的電漿被加熱；這些被加熱的電漿又陷在土星磁場裡，如同土星磁場中的孤島，單獨以每秒100公里的速度繞土星公轉。就像地球上的高低氣壓之間會因大氣壓力的差別而產生風，太空中的電漿高壓則會產生電流，因而使磁場變形。

所謂的「土星公里輻射（Saturn Kilometric Radiation）」是科學家用以估算土星一天長度的電波訊號，然而這種電波訊號卻與土星磁場行為息息相關。因為木星和土星等氣體行星沒有固定的表面特徵可以用來計算自轉速率，科學家於是利用這種電波輻射的峰值（peak）來計算它們的自轉速率。

然而從1980年代開始的航海家號太空船（ Voyager），到2000年的尤利西斯號太空船（Ulysses），甚至2003年至今的卡西尼號太空船，以電波訊號這種方式測量到的土星自轉速率卻不斷改變，科學家一直無法得知土星真正的一天究竟有多長。

土星自轉速率是估算許多土星基本性質的重要參數，諸如土星內部結構或表面風速等。經過Brandt等人的分析研究之後，雖然科學家們仍不知土星真正的一天長度為何，但至少科學家們終於瞭解土星上這複雜但肉眼不可見的磁場環境，希望能從這個重要線索來瞭解土星自轉速率之謎。

人眼無法看到電漿，但是透過卡西尼號上的磁像儀可以用3D立體模式，偵測到電漿雲中的帶電粒子與低溫中性氣體碰撞時所發出的中性原子。中性原子不帶電，所以可以從磁場牢獄中逃出，奔向太空。科學家一旦確知電漿壓力和隨後的變化狀況，便可計算沿著卡西尼號飛行路線的磁場擾動概況。計算的磁場擾動結果和觀測結果相當符合，因而確認引起磁場震盪的來源。

更重要的是，科學家早就已知離太陽系數百萬光年遠的波霎（脈衝星，pulsar）自轉週期會變化，現在科學家終於在我們自己的太陽系中看到類似的現象。換句話說，現在只有卡西尼號磁像儀在對的地方補捉到正在發生的電漿雲現象，經過研究之後，或許可以反過來解開幾百萬光年遠的波霎等遙遠天體的自轉速度變動之謎。