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地質地球所揭示木星極區軟X-射線極光成因之謎

發布時間:2021/7/15 16:59:21編輯:Ma Liang
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      40年前,天文學家利用太空望遠鏡發現了木星的X-射線極光輻射,并把它看作是認識宇宙空間X-射線輻射機制的重要參考。之后的持續觀測讓學界對木星X-射線極光特征有了系統認識,但對它的產生機理卻一直缺乏解釋。隨著國際上木星探測飛船的實施,學界首次直接“看到”了木星X-射線輻射時的空間過程,這為解釋木星X-射線極光成因提供了必要條件。  
  事實上,學界對木星極光的主要認知來自哈勃太空望遠鏡對木星極區長達近30年的紫外光學波段觀測。哈勃太空望遠鏡的高時空分辨數據精準刻畫了木星極光的特征,但關于其產生機制認知不充分的一個核心原因是缺少同步的飛船原位探測。換句話說,科研人員知道極光發生的特征,根據基本物理約束,能夠猜測到一些可能的形成機制,但并不能完全確認具體是哪個機制。此外,哈勃太空望遠鏡的觀測都是基于地球軌道視角,因此無法看到木星背面極區的極光過程,而基于學界對地球極光的認知,夜側往往是重要的極光過程的起源階段。  
  在歷時5年的太空飛行后,朱諾號木星飛船探測器于2016年到達木星軌道,為揭秘木星極光過程提供了關鍵機遇。朱諾號至今為期5年的觀測已經顯著改變了學界過去40年對木星極光的既有認知,其主要進展表現在以下三方面:  
  (1)朱諾號飛船上的極光相機首次拍攝到木星夜側極光過程,揭示了木星最重要的極光現象——木星晨暴的起源和發展階段,更新了科研人員對木星極光的認知。傳統觀點認為木星極光跟地球的驅動過程完全不同,但朱諾號飛船的極光拍攝顯示了木星的極光晨暴與地球的極光亞暴過程具有驚人的相似,從而確認了木星跟地球的磁層空間具有重要的相似過程。研究成果發表在AGU Advances(Bonfond et al., 2021)上,比利時列日大學研究員Bertrand Bonfond和中國科學院地質與地球物理研究所特聘研究員堯中華是論文的共同第一和共同通訊作者。該研究成果被美國宇航局(NASA)作為亮點成果進行報道。
  (2)極光現象實際上反映的是行星磁層空間的能量釋放過程,因此通過研究極光結構,能夠獲得重要的磁層物理過程。傳統教科書認為行星磁層的基本圖像都是類似的,即日側的壓縮結構和夜側的拉伸結構,并且都給出如圖2的磁場構型。傳統圖像認為不同磁層的主要差異是其大小,而磁力線的主要拓撲構型是接近的。  
  根據該磁層圖像,水星、地球、土星和木星都會在靠近磁軸的區域將該區域的磁力線直接連接到太陽風當中,科研人員稱之為開放的磁力線。相比磁力線兩端連接到行星的兩極區域的閉合磁力線,開放磁力線中的高能粒子會迅速被損失到行星際空間中,因此無法積累足夠的能通量產生極光。因此,行星靠近磁軸的區域都被認為存在一個缺少極光輻射的極蓋區。地球和土星極光觀測的確顯示黑暗的極蓋區,該圖像在理解木星極光觀測上卻失效了——木星并沒有一個黑暗的極蓋區。
  相反,如圖3所示,木星的極蓋區極光過程異;钴S,顯示這一區域的磁力線不但閉合,而且持續受到外界的擾動。要理解木星極蓋區這一不同尋常的極光過程,必須理解木星的全球磁場拓撲結構?紤]到木星磁矩是地球的20000倍之巨,其磁層也是巨大的,衛星的單點測量無法幫助科研人員獲得木星復雜的磁層磁場結構。利用高性能數值求解程序,在對磁通量守恒嚴格限定之后,堯中華和香港大學教授張彬錚合作,通過數值模擬手段揭示了木星極區的磁力線為閉合磁力線,即從極區出發的磁力線通過螺旋的方式旋轉到磁層的晨側區域,并最終回到木星的另一個磁極,因此這些磁力線能夠在木星晨側磁層中約束能量粒子。
  另一方面,木星晨側區域的磁鞘等離子體流和木星磁層旋轉等離子體流方向相反,因而持續產生劇烈擾動,這與極區對應的活躍極光也是一致的。研究成果發表在Science Advances(Zhang et al., 2021)上,研究工作獲得地質地球所重點自主部署項目的資助。
  (3)木星極蓋區獨有的活躍極光特征是木星軟X-射線極光產生的區域。為了解決太陽系目前已知唯一的軟X-射線極光成因,堯中華與英國倫敦大學學院博士William Dunn經過長期合作,規劃和實施一系列的XMM-Newton望遠鏡觀測,配合朱諾號飛船在木星磁層內的穿越觀測,最終揭示了木星軟X-射線極光產生的完整鏈條。研究成果發表于Science Advances(Yao et al., 2021),該研究被歐空局選為亮點,以“產生木星X-射線極光的謎題解決了”為標題進行專題報道。該工作獲得中科院戰略性先導科技專項(A類)和地質地球所重點自主部署項目的資助。
  木星X-射線極光主要是高能量、高價態的氧離子和硫離子通過與木星極區大氣分子和原子電荷交換所產生的光學輻射。追溯其物質來源,木星系統這些重離子來自于木衛一(Io)的火山活動。木衛一在1610年(即伽利略發明天文望遠鏡的第二年)被伽利略發現,并且與Europa、Ganymede和Callisto一起被稱為伽利略衛星群。木衛一是太陽系中最活躍的天體,上面有大約400顆活火山,噴發物質中有大量的二氧化硫通過大氣逃逸釋并以平均每秒~1噸的速度釋放到木星空間環境中,通過光致電離等過程產生氧離子和硫離子。這些離子在木星磁層中與木星復雜的電磁場相互作用從而形成更高的能量和更高的價態,最終變成了X-射線極光的離子源。
  地質地球所的所級公共實驗室冷湖行星地質觀測中心目前正在建造大口徑行星光學望遠鏡,其首要科學目標是對木衛一火山活動導致的離子源在木星系統的演化實施長時間的連續觀測,進一步完善對全太陽系質量最大、空間物質能量最高、磁場最強、以及極光輻射最劇烈的行星——木星空間環境的物質能量循環過程的理解。 
 

微信號:ayiwangapp17

(來源: 中國科學院科技產業網 )

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