自20世紀70年代以來，科學家們一直在近距離研究木星，但這個氣體巨頭仍充滿了神秘。NASA NuSTAR空間觀測站的新觀測結果顯示了從木星檢測到的最高能量的光。這種光是NuSTAR能夠探測到的X射線形式，也是迄今為止從地球以外的太陽系行星探測到的最高能量的光。
《Nature Astronomy》上的一篇論文報告了這一發現並解開了一個幾十年的謎團：為什麼Ulysses任務在1992年飛過木星時沒有看到X射線。
X射線是一種光的形式，但比人眼能看到的可見光具有更高的能量和更短的波長。NASA的錢德拉X射線天文台和歐空局(ESA)的XMM-牛頓天文台都研究了來自木星極光的低能量X射線–當木星衛星木衛二上的火山向木星噴發離子（被剝去電子的原子）時，在木星南北兩極附近產生的光照。木星強大的磁場加速了這些粒子並將它們引向行星的兩極，在那裡它們跟木星的大氣層碰撞並以光的形式釋放能量。
根據NASA 2016年抵達木星的朱諾號航天器的觀測，來自木衛二的電子也被該行星的磁場所加速。研究人員懷疑這些粒子應該產生比錢德拉和XMM-牛頓觀測到的更高能量的X射線，而NuSTAR（核光譜望遠鏡陣列的簡稱）是第一個證實這一假設的觀測站。
哥倫比亞大學的天體物理學家、新研究的論文主要作者Kaya Mori說道：“行星產生NuSTAR探測到的範圍內的X射線是相當具有挑戰性的。但木星有一個巨大的磁場，且它的旋轉速度非常快。這兩個特點意味着該行星的磁層就像一個巨大的粒子加速器，這就是使這些高能量排放成為可能的原因。”
研究人員在進行NuSTAR探測時面臨多重障礙，如高能量的發射比低能量的發射要暗得多，但這些挑戰都不能解釋Ulysses沒有探測到的原因。Ulysses是NASA和ESA的一項聯合任務，能夠探測到比NuSTAR更高能量的X射線。Ulysses航天器於1990年發射，在多次延長任務后，一直運行到2009年。
根據這項新研究，這一難題的解決方案在於產生高能X射線的機制。這些光來自“朱諾號”可以用其木星極光分佈實驗(JADE)和木星高能粒子探測儀(JEDI)探測到的高能電子，但有多種機制可以導致粒子產生光。如果不直接觀察粒子發出的光，幾乎不可能知道哪個機制是負責任的。
在這種情況下，罪魁禍首是一種叫做韌致輻射(bremsstrahlung)的東西。當快速移動的電子遇到木星大氣中的帶電原子時，它們會像磁鐵一樣被吸引到原子上。這導致電子迅速減速並以高能X射線的形式失去能量。這就像一輛快速行駛的汽車如何將能量轉移到它的制動系統來減速。事實上，bremsstrahlung在德語中意為“制動輻射”。
每一種光發射機制都會產生一個略微不同的光輪廓。利用對軔致輻射光剖面的既定研究，研究人員表明，在更高的能量下，包括在Ulysses的探測範圍內，X射線應該變得明顯更暗。
“如果你對NuSTAR數據做一個簡單的推斷，它會顯示Ulysses應該能探測到木星的X射線，”哥倫比亞大學天體物理學博士生、這項新研究的論文共同作者Shifra Mandel說道，“但我們建立了一個包括軔致輻射的模型，該模型不僅跟NuSTAR的觀測結果相吻合，而且向我們表明，在更高的能量下，X射線會過於微弱，Ulysses無法探測到。”
據悉，該論文的結論依賴於NuSTAR、Juno和XMM-牛頓對木星的同時觀測。
新篇章
在地球上，科學家已經在地球極光中探測到了比NuSTAR在木星上看到的能量更高的X射線。但這些輻射極其微弱–比木星的輻射微弱得多–只有通過小型衛星或高空氣球才能發現，這些衛星或氣球可以非常接近大氣層中產生這些X射線的位置。同樣，觀察木星大氣層中的這些排放物將需要一個靠近該行星的X射線儀器，其靈敏度要比U在20世紀90年代攜帶的儀器更高。
“這些排放物的發現並沒有結案，它開啟了一個新的篇章，”來自倫敦大學學院的研究員、該論文的論文共同作者William Dunn說道，“我們對這些排放物及其來源仍有很多疑問。我們知道旋轉的磁場可以加速粒子，但我們並不完全了解它們在木星是如何達到如此高的速度的。什麼基本過程會自然產生這樣的高能粒子？”
科學家們還希望，研究木星的X射線發射可以幫助他們了解我們宇宙中更多的極端天體。NuSTAR通常研究我們太陽系以外的物體如爆炸的恆星和被大質量黑洞引力加速的熱氣盤。
這項新研究是科學家們能將NuSTAR的觀測結果跟在X射線源（由朱諾號）拍攝的數據進行比較的第一個例子。這使研究人員能直接測試他們關於是什麼產生這些高能X射線的想法。木星跟宇宙中的其他磁性物體–磁星、中子星和白矮星–也有許多物理上的相似之處，但研究人員並不完全了解粒子是如何在這些天體的磁層中被加速併發射出高能輻射。通過對木星的研究，研究人員可能會揭開我們還無法訪問的遙遠來源的細節。