多年来，土星似乎在做一件不可能的事：改变自转速率，仿佛这颗巨行星在秘密训练参加奥运速滑选拔赛。这个令人困惑的结果让科学家们挠头，大概是在零重力环境下。现在，使用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的研究人员表示，他们终于解开了这个谜团，罪魁祸首自然是——一场壮观的灯光秀。
这项新发现发表在《地球物理研究杂志：空间物理学》上，揭示了土星的极光驱动着一个涉及热量、风和电流的强大循环，根据测量方式的不同，它能让行星看起来以不同速度自转。这个谜题可以追溯到几十年前，但在2004年NASA的卡西尼号探测器暗示土星的自转速率正在逐渐变化后，重新引起了关注——这个结果很难解释，因为行星不会在短时间内改变自转速率，就像你阿姨对菠萝披萨的看法一样。
2021年，诺森比亚大学的汤姆·斯塔拉德教授领导的一个团队提出了另一种解释：土星的自转实际上并没有改变。相反，与行星极光相关的电信号受到土星高层大气风的影响，产生了改变科学家用来估算行星自转的极光信号的电流。虽然那项研究解释了误导性的测量结果，但一个主要问题仍然存在：是什么驱动了那些大气风？
为了调查，斯塔拉德和同事们转向詹姆斯·韦伯太空望远镜，连续观测土星北部极光区域整整一个土星日。团队专注于一种称为三氢阳离子的分子发出的红外光，这种分子在土星高层大气中形成，是天然的温度指示器。通过分析其光芒，他们制作了有史以来最详细的土星极光区域温度和带电粒子密度图。精度的提升是显著的：早期测量的不确定性约为50摄氏度，而JWST的观测精确度大约提高了十倍，使科学家首次能够识别局部加热和冷却的模式。
新数据与十多年前开发的计算机模型的预测高度吻合。然而，模型只有在大气加热源恰好位于最强极光粒子进入土星大气的位置时才有效。结果表明，土星的极光远不止是创造一场炫目的灯光秀——它本质上是一个行星热泵。极光沉积的能量加热大气的特定区域，产生风，然后产生电流。这些电流有助于为极光本身提供动力，而极光继续加热大气，维持整个循环。
首席研究员汤姆·斯塔拉德教授说：“我们所看到的本质上是一个行星热泵。土星的极光加热其大气，大气驱动风，风产生电流为极光提供动力，如此循环。这个系统自我维持。”他补充说，这些由JWST实现的新观测终于提供了证据，结束了一个困扰科学家数十年的谜团。
这一发现的意义可能远远超出一颗行星。研究人员发现证据表明，土星的大气和磁层——由行星磁场塑造的广阔空间区域——紧密相连，大气中的活动影响磁层中的条件，而磁层将能量反馈回大气。这种持续的交换可能有助于解释为什么这个过程在长期内保持稳定——根据研究人员的说法，类似的相互作用也可能发生在其他行星上。