[论文解读] Analysis of HST, VLT and Gemini coordinated observations of Uranus late 2017 : a multi-spectral search for auroral signatures

Laurent Lamy, C. Berland+8 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Oct 19, 2018

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一句话总结

本研究分析了2017年11月下旬哈勃空间望远镜（HST）、甚大望远镜（VLT）和双子星望远镜对天王星的协同观测，旨在搜寻太阳日冕物质抛射后可能产生的极光特征。通过近红外（NIR）H₃⁺发射成像以及揭示南半球极光斑的紫外波段图像，研究发现H₃⁺中未检测到局域化的极光增强，表明尽管预测了地磁风暴，但并未出现瞬时极光沉降，同时确认H₃⁺发射在南半极附近呈现非均匀分布并达到峰值。

ABSTRACT

On 6 Sept. 2017, an exceptional coronal mass ejection departed from the Sun toward the Earth and Uranus, whose magnetospheres are sensitive to the solar wind. The resulting interplanetary shock triggered geomagnetic storm and intense aurora at Earth the next day and was predicted by MHD models to reach Uranus around 10-11 Nov. This event provided a unique opportunity to investigate the auroral response of the asymmetric Uranian magnetosphere in its intermediate equinox-to-solstice configuration. Coordinated multi-spectral observations were acquired with the Hubble Space Telescope (HST) in the far-UV (FUV), with the Very Large Telescope (VLT) and Gemini North in the near-IR (NIR) and with Chandra in the X-ray domain. In this study, we focus on the analysis of NIR images obtained between 9 and 17 Nov. 2017 which are compared to one FUV image acquired on 11 Nov. The latter reveals a bright southern auroral spot in the H2 bands, which we use as a reference to locate auroral precipitations. The NIR images were aimed at mapping H3+ emission from the Uranian ionosphere and at updating the results built from a couple of pioneer images taken 25 years ago. These new high resolution images reveal H3+ from the whole disc although brighter near the southern pole, but show no evidence of localized auroral emission.

研究动机与目标

• 研究天王星非对称磁层对2017年11月抵达地球并预计影响天王星的日冕物质抛射（CME）的极光响应。
• 通过H₃⁺转振发射（一种已知的极光粒子沉降示踪剂）在近红外（NIR）波段探测瞬时极光辐射。
• 在1993年IRTF观测的基础上，获取更高分辨率、多历元的近红外图像，以更新并改进对天王星H₃⁺的观测。
• 将H₃⁺发射的空间分布与HST探测到的紫外波段极光斑进行比较，评估H₃⁺是否与极光沉降相关。

提出的方法

• 获取协同的多波段观测：HST/STIS在紫外波段（FUV）用于直接探测极光，VLT/NACO和双子星/NIRI在近红外波段（NIR）用于绘制H₃⁺发射图。
• 在VLT/NACO上使用自适应光学，在双子星/NIRI上使用非自适应成像，以在L’和Brα滤波器中实现高空间分辨率和灵敏度。
• 处理来自六组序列（VLT和双子星）的背景减除近红外图像以及来自HST的一幅紫外波段图像，重点分析H₃⁺发射和极光形态。
• 将11月11日的紫外波段极光斑与近红外H₃⁺图像进行比较，以检验其与极光沉降的空间相关性。
• 采用窄带Brα滤波器（3.95–4.02 μm）以分离H₃⁺发射谱线并提高信噪比。
• 分析双子星/NIRI（J和Brα滤波器）的平均图像，以评估长期空间分布，并与反照率特征进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 2017年11月预测的日冕物质抛射是否在天王星磁层中引发可探测的瞬时极光辐射？
• RQ2 2017年11月11日HST探测到的紫外波段极光斑是否与近红外波段H₃⁺发射在空间上相关？
• RQ3 天王星H₃⁺发射分布是否显示出如早期模型和有限1993年观测所提示的局域化极光加热或沉降的证据？
• RQ4 H₃⁺发射的空间分布与太阳反射反照率特征（特别是明亮的南半极帽）相比如何？
• RQ5 非均匀的H₃⁺发射在多大程度上反映了热层温度变化或与极光活动无关的大气过程？

主要发现

• 11月11日获取的HST紫外波段图像在H₂带中揭示了一个明亮的南半极极光斑，证实了在磁极区域存在瞬时极光沉降。
• 尽管紫外波段极光斑清晰可见，但在VLT和双子星的近红外图像中未检测到局域化的H₃⁺极光辐射。
• H₃⁺发射在天王星圆面内分布不均，其强度在南半极区域有明显峰值。
• H₃⁺发射的空间分布与太阳反射亮度分布高度一致，特别是在-40°纬度以南区域，表明其与大气反照率特征存在关联，而非极光过程。
• H₃⁺发射未见局域化增强，意味着尽管预测了地磁风暴，但极光粒子沉降并未显著提升H₃⁺密度。
• 研究结果挑战了早期对1993年IRTF数据的解释，表明H₃⁺发射并非均匀分布，可能更多受热层温度或大气成分变化驱动。