多年來，土星似乎在做一件不可能的事。
測量結果顯示，這顆巨大行星的自轉速率隨時間改變，彷彿土星在以某種方式加速或減速。這個令人費解的結果讓科學家們尋找答案。現在，使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的研究人員表示，他們終於解開了這個謎團。
發表在《地球物理學研究期刊：太空物理學》上的新發現揭示，土星壯觀的北極光是該現象的核心。研究表明，這顆行星的極光驅動了一個涉及熱量、風和電流的強大循環，這使得土星在根據測量方式不同時，顯得自轉速度也不同。
這個謎團可以追溯到數十年前，但在 2004 年 NASA 卡西尼號太空船的觀測結果顯示土星的自轉速率正在逐漸改變後，這個問題重新引起了廣泛關注。
這個結果難以解釋，因為行星不會在短時間內改變其自轉速率。
2021 年，由諾森布里亞大學的湯姆·斯塔爾德教授領導的一個團隊提出了另一種解釋。他們的研究表明，土星的自轉實際上並未改變。相反地，與行星極光相關的電信號受到土星高層大氣中風的影響。這些風產生了電流，改變了科學家用於估計行星自轉的極光信號。
雖然該研究解釋了誤導性的測量結果，但一個主要問題仍未得到解答：是什麼驅動了這些大氣風？
為了進行調查，斯塔爾德教授和來自英國和美國機構的同事們轉向了詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。
該團隊連續觀測了土星的北極光區域一個完整的土星日。這些觀測提供了前所未有的細節水平。
研究人員專注於一種稱為三氫陽離子的分子所發出的紅外光。這種分子形成於土星的高層大氣中，並作為溫度的自然指標。透過分析其輝光，該團隊製作了迄今為止最詳細的土星極光區域溫度和帶電粒子密度圖。
準確性的提升是戲劇性的。早期的測量結果約有 50 攝氏度的不確定性，使得難以偵測細微的變化。JWST 的觀測精度約提高了十倍，使科學家們能夠首次識別出局部加熱和冷卻的模式。
一個自我維持的行星熱引擎
新數據與十多年前開發的電腦模型的預測非常吻合。然而，這些模型只有在加熱源恰好位於最強烈的極光粒子進入土星大氣的區域時才能奏效。
結果表明，土星的極光所做的遠不止是創造令人眼花繚亂的光秀。
極光沉積的能量加熱了大氣的特定區域。這種加熱產生了風，然後風又產生了電流。這些電流有助於為極光本身提供能量，極光繼續加熱大氣並維持整個循環。
首席研究員湯姆·斯塔爾德教授說：「我們看到的本質上是一個行星熱泵。土星的極光加熱其大氣，大氣驅動風，風產生為極光供電的電流，如此循環往復。這個系統會自我維持。」
「數十年來，我們知道土星的視自轉速率有些奇怪，但我們無法解釋。然後我們證明了它是由大氣風驅動的，但我們仍然不知道為什麼會有這些風。這些由 JWST 實現的新觀測，終於給了我們關閉這個循環所需的證據。」
這項發現可能具有遠超單一行星的意義。
研究人員發現證據表明，土星的大氣和磁層緊密相連。磁層是由行星磁場塑造的廣闊空間區域。大氣中的活動似乎影響磁層中的條件，而磁層則將能量反饋回大氣中。
這種持續的交換可能解釋了該過程為何能長期保持穩定。
據研究人員稱，類似的相互作用也可能發生在其他行星上。
斯塔爾德教授補充說：「這個結果改變了我們對行星大氣的普遍看法。如果行星的大氣條件能夠驅動電流進入周圍的空間環境，那麼了解其他世界平流層中發生的事情，可能會揭示我們尚未想像到的相互作用。」
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是世界領先的太空科學天文台。該望遠鏡旨在研究太陽系中的物體，探測繞遙遠恆星運行的行星，並探索宇宙的起源和演化。韋伯是 NASA 與歐洲太空總署（ESA）和加拿大太空總署（CSA）合作領導的一項國際項目。
該研究由諾森布里亞大學的研究人員與來自波士頓大學、萊斯特大學、阿伯里斯特威斯大學、雷丁大學、倫敦帝國理工學院、蘭開斯特大學和約翰霍普金斯大學應用物理實驗室的合作者共同進行。研究經費由科學技術設施委員會（STFC）提供。