天文学家终于揭开土星自转速度之谜

过去几十年，科学家观测到土星表观自转速率似乎随时间变化，例如卡西尼号探测器2004年的数据就显示这一现象。但行星不可能在短期内自行大幅改变自转速度，因此这成了长期未解之谜。2021年，英国诺桑比亚大学汤姆·斯塔拉德教授团队提出新解释：并非土星本身转得更快或更慢，而是其北极光产生的电信号受高层大气风的影响而发生偏移，导致基于这些信号推算出的自转速率出现偏差。但当时仍不清楚：这些驱动信号偏差的大气风究竟从何而来？此次借助詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST），研究团队首次连续观测了整整一个土星日（约10.7小时）的北极光区域，并聚焦于三氢阳离子（H₃⁺）发出的红外光——这种分子天然存在于土星高层大气中，其发光强度直接反映当地温度与带电粒子密度。JWST的数据精度比以往仪器高约10倍（误差从±50℃降至±5℃以内），首次清晰绘制出极光区内的精细温度与粒子分布图。结果证实：极光沉降能量加热特定大气区域，加热引发强风，风又通过电离层运动产生电流，而这些电流反过来增强极光并持续供能——形成一个闭环的‘行星热泵’系统。这解释了为何不同测量方式（如无线电信号vs.云层追踪）得到不同自转值：它们实际反映的是不同高度、不同物理过程主导的运动状态，而非单一刚体自转。研究还发现，土星大气与磁层（由行星磁场主导的空间区域）存在紧密双向耦合：大气活动影响磁层状态，磁层又将能量反馈回大气，使该循环长期稳定。类似机制可能存在于木星、天王星等其他拥有磁场和极光的行星上。该成果不仅解开土星自转之谜，更改变了我们对行星大气—空间环境相互作用的基本认知：大气层的变化可主动驱动空间电流，未来研究其他行星平流层，或将揭示迄今未知的新类型空间天气过程。