木星和土星，是兩顆氣態巨行星；天王星和海王星，是兩顆冰態巨行星，它們一直被公認為是太陽系內最為冰冷的領域。

直到美國旅行者號航天器在20世紀70年代末和80年代從它們身邊駛過時，科學家們才發現這四個冰冷的世界都在散發著行星熱。

這一發現就像在冰箱裡發現一團篝火一樣令人震驚。

地面望遠鏡以及伽利略號和卡西尼號航天器的後續觀測表明，它們的行星範圍內的發熱一直持續到現在，並且溫度很高。

例如，木星的低緯度地區，應該是寒冷的-110攝氏度。然而，那裡的大氣層則高達325攝氏度。

那麼問題來了，木星上的熱點從何而來？

一支日本天文研究團隊發現了木星和土星的熱量來源，那就是它們的極光。

這些結果來自於對這兩顆氣態巨行星高層大氣的詳細測量。

土星的大氣溫度是由卡西尼號航天器在最終使其進入該行星的機動過程中拍攝的；木星的大氣溫度是用夏威夷一座巨型火山頂上的望遠鏡拼接而成的。

兩者都顯示，在兩個磁極下面的極光區附近，大氣層是最熱的。

當接近赤道時，溫度就會下降。

很明顯，極光帶來了熱量。

而且，就像散熱器一樣，熱量隨著距離的增加而減少。

行星，從我們自己的太陽系中的行星到那些圍繞遙遠恆星執行的行星，大氣層並不總是恆久不變的。

許多氣體包絡層隨著時間的推移而被破壞，在某些情況下，將巨大的世界變成微小的且不適合居住的軀殼。

天文學家希望能夠將這些行星與可居住的、類似地球的行星區分開來。

首要前提是要知道外層大氣的溫度，因為那是氣體流失到太空的地方。

目前，地球上的北極光和南極光還沒有被完全理解，但基本情況是清楚的。

太陽向太空發射了大量的磁場和高能粒子，稱為太陽風。

當太陽風到達地球時，它們與地球自身的磁泡發生作用，被稱為磁層。

然後高能粒子螺旋式下降到地球的南北磁極。

在那裡，它們在高層大氣中撞擊氣體原子和分子。

這些撞擊使氣體暫時獲得能量，從而發出可見的閃光。

一般而言，極光需要三種成分：高能粒子源、磁場和大氣層。

木星和土星恰恰具備這三種要素，但是這兩個星球的極光都不像地球的極光。

地球的磁場來自於我們腳下深處的液態鎳鐵合金的攪動。

但是木星和土星作為氣態巨行星並沒有液態鐵的核心。

這些行星的巨大引力擠壓著其外核中大量的液態氫，以至於氫的電子被釋放出來。

這個過程將氫變成了一種產生磁力的金屬。

木星的磁層是太陽系中最大的結構，它的尾巴一直延伸到土星，甚至可能更遠。

氣態巨行星並不能依靠來自太陽風的豐富的高能粒子或等離子體的供應，這些粒子會隨著與太陽的距離增加而消散。

它們依靠的是火山鍊金術的行為。

木星的大部分等離子體來自它的衛星木衛一，這是科學界已知的最多火山的物體。

木衛二的岩漿噴發幾乎持續不斷，將大量的火山物質拋入太空；在那裡，它沐浴在陽光下，變得電光火石，然後灑向木星。

土星的大部分等離子體來自於土衛二，這是一顆鏡子般的冰冷衛星，向太空噴射出壯觀且冰冷的水態物質。

這些等離子體射入行星的擴張性磁層，使它們加速進入兩極。

在那裡，等離子體中的帶電粒子與大氣中的氣體分子發生碰撞。

土星上的極光主要是發出紫外線；在木星上，它們既有紫外線也有紅外線的波長。

製造光的過程與製造熱的過程雖然不同，但都是跟摩擦相關。

等離子體透過場線流向行星的磁極，磁化的太陽風延伸到很遠的空間。

這些太陽風和行星一起旋轉，但是它們有時很難跟上節奏。

例如，木星每10小時旋轉一次。

當這些等離子體流落後於行星的旋轉時，木星強大的西風就會推動它們。

這些風對緩慢移動的等離子體流的拖曳產生了摩擦。

而這種摩擦產生了熱量，在木星的情況下，也許比該行星從太陽獲得的熱量多125倍。

天文學家一直在想，極光是否是那些行星發熱的來源。

幾十年來，極光中存在大量的能量。

但是為了從懷疑到確定，天文學家需要一張地圖：具體來說，就是氣態巨行星和冰態巨行星的熱圖。

有了熱圖，天文學家就可以看到最高溫度是否可以疊加到極光上，以及這種熱量是否在整個星球上擴散。

2017年，在圍繞土星運行了13年之後，NASA的卡西尼號航天器在反覆潛入土星和土星環之間時，對該行星進行了22次繞行。

當時航天器在土星的雲層中燃燒起來，讓卡西尼號對這個世界有了前所未有的近距離觀察。

當卡西尼號接近土星時，它透過該行星的大氣層，窺視著外面明亮的星星。

來自這些恆星的光線似乎根據光線穿過的大氣層的密度而變化。

氣體的密度和溫度是相關的，因此研究人員使用了幾十次這樣的測量，即所謂的恆星掩星，為土星上層大氣的白天和夜晚製作了詳細的熱圖。

當時的熱圖顯示了極光周圍的熱峰值，以及向赤道方向溫度的緩緩下降。

當然，這似乎是極光在發揮作用。

但專家認為，如果在土星上的能量再分配理論是正確的，它也必須在木星上起作用。

最新的研究發現，專家認為的似乎是正確的。

將木星的上層大氣發熱歸因於它自己的極光也需要一張熱力圖。

但是製作這樣一張地圖並非易事。

這個星球混亂的上層大氣每週都在變化，任何熱流的證據隨時都會消失。

研究人員需要的是在一個相對短暫的時間內製作的全球熱力圖——一個顯示幾個小時內熱力流動的地圖。

因此，研究人員選擇了夏威夷休眠的茂納克亞火山頂上的凱克天文臺。

在那裡，研究人員用紅外光觀察木星，每個晚上都是5小時。

在每個夜晚的觀察過程中，建立了木星日面的高解析度熱圖。

地圖清楚地顯示，極光區周圍的溫度達到了峰值，達到了驚人的730攝氏度。

接近赤道時，這種熱逐漸下降，那裡的水銀仍然達到了325度。

最終的結果與卡西尼號在土星上看到的情況相一致。

在對土星進行觀測時，卡西尼號發現，在某些情況下，對土星大氣層低層的干擾會導致該層遷移到大氣層上部。

這種反轉可能會擾亂並減緩上層大氣強大的西風——也許足以讓極光的熱量洩露出去。

在理論上，這種機制也可以適用於木星。

但是氣態巨行星的上層大氣缺乏雲層運動的明確標誌，這使得研究那裡的風具有很大的挑戰性。

儘管有揮之不去的疑惑，將極光確定為木星和土星的熱點來源，大大加強了人們對這些世界的瞭解。

然而，天王星和海王星仍然被籠罩在不確定性的迷霧中。

它們有不同的大氣層、磁場和旋轉行為，這意味著對氣態巨行星有效的方法可能對冰態巨行星是無效的。

它們如此遙遠，以至於我們很難用地球上的望遠鏡看到它們的細節，而且看起來在可預見的未來，它們不會被任何一個航天器訪問。

在那一天到來之前，這些遙遠的領域仍將是陌生的。