美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）联合研制的詹姆斯·韦伯太空望远镜近期完成了一次针对木星极光的长时间扫描观测，并首次对木星两颗伽利略卫星——伊欧和欧罗巴——在木星大气中形成的极光足迹进行了光谱测量。

首次获取极光足迹温度与电离层密度

在这次观测中，韦伯望远镜的近红外光谱仪（NIRSpec）沿木星边缘顺时针扫描，跟踪随着木星自转而进入视野的极光发射。极光由沿磁力线下落的带电粒子撞击行星电离层并激发发光产生。

研究团队利用NIRSpec数据，测量了伊欧和欧罗巴极光足迹在近红外波段的局部温度和电离层离子密度。论文第一作者、英国诺森比亚大学博士生凯蒂·诺尔斯（Katie L. Knowles）表示，此前相关观测在紫外和红外波段只能获得这些足迹的亮度信息，而这次是首次对其上层大气温度和离子密度等物理特性进行定量描述。

诺尔斯称，这是首次对木星卫星极光足迹的物理状态进行系统刻画，此类参数此前尚未被报道。研究显示，伊欧极光足迹内部存在显著的空间和时间变化，且与撞击木星大气顶层的高能电子流密切相关。

木星极光与伽利略卫星的相互作用

与主要由太阳风驱动的地球极光不同，木星极光除受太阳风影响外，还明显受到其四颗大型伽利略卫星——伊欧、欧罗巴、甘尼米德和卡利斯托——的作用。这些卫星与木星周围磁场和等离子体环境相互作用，在木星大气中形成各自对应的“极光足迹”。

木星拥有强大的磁场，其磁层随行星自转大约每10小时旋转一周，并携带大量带电粒子高速运动。相比之下，木星卫星的轨道周期要慢得多：最内侧的伊欧绕木星一周约需42.5小时。

诺尔斯介绍，卫星在轨道上不断与环绕木星的磁场和等离子体发生相互作用，产生的高能粒子沿磁力线下落，撞击木星上层大气，在与卫星轨道位置相对应的区域形成明亮的极光足迹。她指出，木星极光是太阳系中最强且最为持久的极光现象，而韦伯望远镜的观测为理解木星卫星如何直接影响行星高层大气提供了新的视角。

22小时观测中意外捕捉到足迹结构

2023年9月，韦伯望远镜在一次持续约22小时的观测窗口内，对木星边缘进行了连续扫描，以追踪随自转进入视野的北极光。在这组观测中，研究团队意外捕捉到了伊欧和欧罗巴在木星大气中形成的极光足迹。

与相对高温且物质丰富的木星主极光不同，伊欧和欧罗巴产生的极光足迹在这次观测中呈现出不同特征。研究人员在其中一张观测快照中发现，伊欧极光足迹内部存在一个温度显著低于周围区域、且物质密度异常高的“冷点”结构。

伊欧是太阳系中火山活动最为活跃的天体，其火山每秒向太空喷射约1000公斤物质，为环绕木星的致密等离子体环境持续补给。这些物质被电离后形成一个环绕木星的甜甜圈状云团，被称为“伊欧等离子体环”。伊欧在该环境中运行时会产生强电流，在木星极光中形成最为明亮的发射斑点。

发现高密度低温“冷点”及快速变化

通过对三氢阳离子（H₃⁺）发射的分析，研究人员发现，伊欧极光足迹中的三氢阳离子密度约为木星主极光的三倍，且在某些区域内，密度在很小的空间尺度上可变化至多45倍。

诺尔斯指出，团队在伊欧极光足迹内部观测到温度和密度的极端变化，这些变化发生在分钟级时间尺度上，显示出撞击木星大气的高能电子流在短时间内发生剧烈变化。

根据测量结果，伊欧足迹中这一“冷点”的温度约为538开尔文（约265摄氏度或509华氏度），明显低于木星其他极光区域约766开尔文（约493摄氏度或919华氏度）的温度水平。同时，该冷点区域的物质密度约为木星主极光的三倍。

研究团队认为，这一此前未被发现的低温高密度结构很可能由撞击木星上层大气的电子流发生极端变化所驱动。

对其他行星系统的启示

研究人员表示，这些结果不仅有助于理解木星本身的极光机制，也引发了对其他行星及其卫星系统的进一步问题。例如，土星卫星恩克拉多斯同样在土星大气中形成极光足迹，科学界关注那里是否也存在类似的结构和变化。

诺尔斯表示，这项工作为研究木星及其其他伽利略卫星开辟了新的方向，也可能适用于其他巨行星及其卫星系统。通过实时观测木星大气对卫星作用的响应，研究人员希望进一步认识太阳系内外类似过程的物理机制。

她同时指出，在本次观测中，研究团队在五次快照中仅有一次捕捉到上述冷点现象，这意味着其发生频率、是否呈现“开关”状态以及在不同条件下如何演化等问题仍有待后续观测和研究。

相关成果已发表在《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）期刊上，论文题为《詹姆斯·韦伯太空望远镜观测到的木星卫星极光足迹的短期变异性》（Short-Term Variability in Jovian Satellite Auroral Footprints Observed by the James Webb Space Telescope），作者为 Katie L. Knowles 等，刊登于2026年第53卷第5期（e2025GL118553），DOI 为 10.1029/2025GL118553。