天文學家首次發現天王星發出的X射線

天文學家首次使用美國太空總署錢德拉X射線天文台探測到天王星的X射線。這個結果可能有助科學家更了解我們太陽系中這顆神秘的冰冷巨大行星。

天王星是太陽第七顆行星，它的赤道周圍有兩組光環。這顆行星的直徑是地球直徑的四倍，它的自轉軸傾側旋轉，使其不同於太陽系中所有其它行星。航行者二號（Voyager 2）是天王星有史以來唯一探訪的太空船，因此天文學家目前依靠距離地球更近的太空望遠鏡（例如：哈勃太空望遠鏡）來了解這顆遙遠而寒冷的星球。天王星幾乎完全由氫和氦組成。

在一項新的研究，研究人員使用錢德拉X射線天文台（Chandra X-ray Observatory） 在2002年對天王星進行的觀測，然後在2017年再次進行觀測。他們發現，從第一次X射線觀測中，可以清楚地檢測到X射線存在，最近對剛剛得到十五年後的數據進行對比分析。顯示2002年的天王星X射線圖像（粉紅色），疊加在2004年另一項研究中獲得的凱克一號（Keck-I）望遠鏡的光學圖像，顯示現時的方向與2002年錢德拉X射線天文台觀測的方向大致相同。

什麼會導致天王星發出X射線？答案主要是太陽。天文學家已經觀察到木星和土星都會散射太陽發出的X射線，這與地球大氣層散射太陽光的方式類似。雖然新的天王星研究最初預期檢測到的大多數X射線也將來自散射，但令人迷惑的地方是至少存在其它的X射線源。如果進一步的觀察證實這一點，可能影響對理解天王星如何誕生。

一種可能性是天王星的環本身會產生X射線，土星的環就是這種情況。天王星在附近的太空環境中由帶電粒子包圍，例如電子和質子。如果這些高能粒子與環碰撞，可能導致環在X射線中發光。另一種可能性是，至少有一些X射線來自天王星上的極光，這種現像以前曾在天王星上用其它波長觀測到。

在地球上，我們可以看到天空中稱為極光的彩色光線，這種光在高能粒子與大氣相互作用時發生。X射線在地球的極光中發射，由高能電子沿著行星的磁力線傳播到兩極點並由大氣減速，產生高能電子。木星也有極光，來自木星上極光的X射線來自兩個來源：電子沿著磁場線（好像地球一樣）行進，以及帶正電的原子和分子在木星的極區下降。但是，科學家對什麼原因產生天王星極光未能夠把握。錢德拉X射線天文台的觀測可能有助於弄清這個謎團。

天王星是X射線觀測是個特別有趣的目標，因為它的自旋軸和磁場方向異常。太陽系其它行星的旋轉軸和磁場軸幾乎垂直於它的軌道平面，而天王星的旋轉軸幾乎平行於它環繞太陽的路徑。此外，當天王星在它的側面傾斜時，磁場在在不同傾斜角度有不同強度，並且偏離行星的中心。這可能會導致天王星的極光異常複雜和可變。確定天王星的X射線源可以幫助天文學家更好地了解太空中有更多奇異的天體，例如：生長黑洞和中子星發出X射線。

【圖、文：節譯自美國哈佛-史密森天體物理中心2021年3月31日新聞公佈】研究全文刊登在2021年3月31日出版的《地球物理學研究-太空物理學》期刊