研究人員或已破解天王星輻射帶之謎

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原作：Matthew Williams

翻譯：張雨荷

編排：喻思敏

后臺：李子琦

https://www.universetoday.com/articles/researchers-at-swri-may-have-solved-the-mystery-of-uranus-radiation-belts

圖注：旅行者2號在 1986 年飛掠天王星時，看到的這顆行星幾乎是一顆毫無特征的灰綠色球體。

圖片來源：NASA/JPL-Caltech

太陽系中的兩顆“冰巨星”——天王星和海王星——依然是至今人類探索最少的行星。由于它們與地球距離遙遠，人類首次研究它們的探測器是旅行者2號，而這也是迄今為止唯一一次飛掠它們的探測任務。旅行者2號揭示的信息引發了許多關于這兩顆行星及其衛星系統的謎團。例如，在飛掠天王星時，探測器記錄到一個能量遠高于預期的強電子輻射帶。

自那以后，科學家研究了數千顆太陽系外的氣態巨行星，并與天王星進行對比，這些對比反而進一步加深了這個謎團：天王星系統為何能捕獲如此多的高能電子？

在一項最新研究中，美國西南研究院（SwRI）的科學家提出了一個新假說：旅行者2號所觀測到的現象，可能是由于太陽風結構導致的。就像地球會受到太陽風暴的影響一樣，他們認為旅行者2號飛掠天王星時，正好有一個 “共轉相互作用區”經過該系統。

這項研究由 SwRI 空間科學部首席科學家、空間物理學家 Robert C. Allen 博士領導，團隊成員包括科學家 Sarah Vines 和 George C. Ho。相關論文《解開天王星電子輻射帶之謎：利用地球輻射帶知識重新審視旅行者2號的觀測結果》近期發表于 《地球物理研究快報》（Geophysical Research Letters）。

圖注：快速太陽風結構的空間天氣效應示意圖：第一幅圖展示了快速太陽風結構本身，第二幅圖展示了該結構在 2019 年引發地球上的強烈太陽風暴，第三幅圖展示了旅行者2號在 1986 年飛掠天王星時觀測到的相應環境條件。

圖片來源：Allen, R. 等 (2025)

到目前為止，旅行者2號提供了關于天王星輻射環境的唯一直接測量數據。這些數據導致科學界普遍認為：天王星系統擁有較弱的離子輻射帶和非常強的電子輻射帶。然而，研究團隊重新分析數據后發現，探測器取得這些觀測記錄時，太陽風處于異常狀態，并非背景的穩定環境。他們認為，當時有一個短暫的太陽風事件經過天王星，而這一事件引發了整個旅行者2號任務期間最強的高頻波動信號。

在當時，科學家認為這種強波動會使電子散逸并落入天王星大氣中。但幾十年來，對地球輻射帶的研究已揭示，在特定條件下，這些波動反而可以加速電子，使其獲得額外能量。為此，研究團隊將旅行者2號的觀測結果與地球上觀測到的類似事件進行了比較，并發現了其中的相似之處。

“自旅行者2號飛掠天王星以來，科學取得了長足的進步。我們決定采用對比研究的方法，分析旅行者2號的數據，并將其與我們此后幾十年在地球上的觀測結果進行比較，” Allen博士在新聞稿中說道。 “2019年，地球經歷了一次類似的事件，導致輻射帶電子的加速運動異常劇烈，” Vines博士補充道。“如果類似的機制也作用于天王星系統，這就能解釋旅行者2號為何記錄到這些超乎預期的高能電子。”

他們的分析表明，太陽風與天王星磁層的相互作用可能驅動了高頻波，這些高頻波能夠將電子加速到接近光速的能量。研究不僅解釋了一個長期未解的觀測謎團，還引出了更多關于高能波動背后物理機制的問題，以及導致這些過程的完整事件鏈。Allen 博士強調：“這再次證明我們需要一項專門前往天王星的任務。因為研究結果對理解類似系統，例如海王星，也具有重要的啟示意義。”

責任編輯：陳瑋菁

牧夫新媒體編輯部

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