【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】40年前，天文學(xué)家利用太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了木星的X-射線(xiàn)極光輻射，并把它看作是認(rèn)識(shí)宇宙空間X-射線(xiàn)輻射機(jī)制的重要參考。之后的持續(xù)觀測(cè)讓學(xué)界對(duì)木星X-射線(xiàn)極光特征有了系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，但對(duì)它的產(chǎn)生機(jī)理卻一直缺乏解釋。隨著國(guó)際上木星探測(cè)飛船的實(shí)施，學(xué)界直接“看到”了木星X-射線(xiàn)輻射時(shí)的空間過(guò)程，這為解釋木星X-射線(xiàn)極光成因提供了必要條件。
 

　　事實(shí)上，學(xué)界對(duì)木星極光的主要認(rèn)知來(lái)自哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)木星極區(qū)長(zhǎng)達(dá)近30年的紫外光學(xué)波段觀測(cè)。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的高時(shí)空分辨數(shù)據(jù)精準(zhǔn)刻畫(huà)了木星極光的特征，但關(guān)于其產(chǎn)生機(jī)制認(rèn)知不充分的一個(gè)核心原因是缺少同步的飛船原位探測(cè)。換句話(huà)說(shuō)，科研人員知道極光發(fā)生的特征，根據(jù)基本物理約束，能夠猜測(cè)到一些可能的形成機(jī)制，但并不能完全確認(rèn)具體是哪個(gè)機(jī)制。此外，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)都是基于地球軌道視角，因此無(wú)法看到木星背面極區(qū)的極光過(guò)程，而基于學(xué)界對(duì)地球極光的認(rèn)知，夜側(cè)往往是重要的極光過(guò)程的起源階段。
 

　　在歷時(shí)5年的太空飛行后，朱諾號(hào)木星飛船探測(cè)器于2016年到達(dá)木星軌道，為揭秘木星極光過(guò)程提供了關(guān)鍵機(jī)遇。朱諾號(hào)至今為期5年的觀測(cè)已經(jīng)顯著改變了學(xué)界過(guò)去40年對(duì)木星極光的既有認(rèn)知，其主要進(jìn)展表現(xiàn)在以下三方面：
 

　　(1)朱諾號(hào)飛船上的極光相機(jī)拍攝到木星夜側(cè)極光過(guò)程，揭示了木星最重要的極光現(xiàn)象――木星晨暴的起源和發(fā)展階段，更新了科研人員對(duì)木星極光的認(rèn)知。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為木星極光跟地球的驅(qū)動(dòng)過(guò)程完全不同，但朱諾號(hào)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(guò)程具有驚人的相似，從而確認(rèn)了木星跟地球的磁層空間具有重要的相似過(guò)程。研究成果發(fā)表在AGU Advances(Bonfond et al., 2021)上，比利時(shí)列日大學(xué)研究員Bertrand Bonfond和中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)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(guó)宇航局(NASA)作為亮點(diǎn)成果進(jìn)行報(bào)道。
 

　　(2)極光現(xiàn)象實(shí)際上反映的是行星磁層空間的能量釋放過(guò)程，因此通過(guò)研究極光結(jié)構(gòu)，能夠獲得重要的磁層物理過(guò)程。傳統(tǒng)教科書(shū)認(rèn)為行星磁層的基本圖像都是類(lèi)似的，即日側(cè)的壓縮結(jié)構(gòu)和夜側(cè)的拉伸結(jié)構(gòu)，并且都給出如圖2的磁場(chǎng)構(gòu)型。傳統(tǒng)圖像認(rèn)為不同磁層的主要差異是其大小，而磁力線(xiàn)的主要拓?fù)錁?gòu)型是接近的。
 

　　根據(jù)該磁層圖像，水星、地球、土星和木星都會(huì)在靠近磁軸的區(qū)域?qū)⒃搮^(qū)域的磁力線(xiàn)直接連接到太陽(yáng)風(fēng)當(dāng)中，科研人員稱(chēng)之為開(kāi)放的磁力線(xiàn)。相比磁力線(xiàn)兩端連接到行星的兩極區(qū)域的閉合磁力線(xiàn)，開(kāi)放磁力線(xiàn)中的高能粒子會(huì)迅速被損失到行星際空間中，因此無(wú)法積累足夠的能通量產(chǎn)生極光。因此，行星靠近磁軸的區(qū)域都被認(rèn)為存在一個(gè)缺少極光輻射的極蓋區(qū)。地球和土星極光觀測(cè)的確顯示黑暗的極蓋區(qū)，該圖像在理解木星極光觀測(cè)上卻失效了――木星并沒(méi)有一個(gè)黑暗的極蓋區(qū)。
 

　　相反，如圖3所示，木星的極蓋區(qū)極光過(guò)程異常活躍，顯示這一區(qū)域的磁力線(xiàn)不但閉合，而且持續(xù)受到外界的擾動(dòng)。要理解木星極蓋區(qū)這一不同尋常的極光過(guò)程，必須理解木星的全球磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。考慮到木星磁矩是地球的20000倍之巨，其磁層也是巨大的，衛(wèi)星的單點(diǎn)測(cè)量無(wú)法幫助科研人員獲得木星復(fù)雜的磁層磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。利用高性能數(shù)值求解程序，在對(duì)磁通量守恒嚴(yán)格限定之后，堯中華和香港大學(xué)教授張彬錚合作，通過(guò)數(shù)值模擬手段揭示了木星極區(qū)的磁力線(xiàn)為閉合磁力線(xiàn)，即從極區(qū)出發(fā)的磁力線(xiàn)通過(guò)螺旋的方式旋轉(zhuǎn)到磁層的晨側(cè)區(qū)域，并最終回到木星的另一個(gè)磁極，因此這些磁力線(xiàn)能夠在木星晨側(cè)磁層中約束能量粒子。
 

　　另一方面，木星晨側(cè)區(qū)域的磁鞘等離子體流和木星磁層旋轉(zhuǎn)等離子體流方向相反，因而持續(xù)產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)，這與極區(qū)對(duì)應(yīng)的活躍極光也是一致的。研究成果發(fā)表在Science Advances(Zhang et al., 2021)上，研究工作獲得地質(zhì)地球所重點(diǎn)自主部署項(xiàng)目的資助。
 

　　(3)木星極蓋區(qū)活躍極光特征是木星軟X-射線(xiàn)極光產(chǎn)生的區(qū)域。為了解決太陽(yáng)系目前已知軟X-射線(xiàn)極光成因，堯中華與英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院博士William Dunn經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期合作，規(guī)劃和實(shí)施一系列的XMM-Newton望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，配合朱諾號(hào)飛船在木星磁層內(nèi)的穿越觀測(cè)，最終揭示了木星軟X-射線(xiàn)極光產(chǎn)生的完整鏈條。研究成果發(fā)表于Science Advances(Yao et al., 2021)，該研究被歐空局選為亮點(diǎn)，以“產(chǎn)生木星X-射線(xiàn)極光的謎題解決了”為標(biāo)題進(jìn)行專(zhuān)題報(bào)道。該工作獲得中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(A類(lèi))和地質(zhì)地球所重點(diǎn)自主部署項(xiàng)目的資助。
 

　　木星X-射線(xiàn)極光主要是高能量、高價(jià)態(tài)的氧離子和硫離子通過(guò)與木星極區(qū)大氣分子和原子電荷交換所產(chǎn)生的光學(xué)輻射。追溯其物質(zhì)來(lái)源，木星系統(tǒng)這些重離子來(lái)自于木衛(wèi)一(Io)的火山活動(dòng)。木衛(wèi)一在1610年(即伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡的第二年)被伽利略發(fā)現(xiàn)，并且與Europa、Ganymede和Callisto一起被稱(chēng)為伽利略衛(wèi)星群。木衛(wèi)一是太陽(yáng)系中活躍的天體，上面有大約400顆活火山，噴發(fā)物質(zhì)中有大量的二氧化硫通過(guò)大氣逃逸釋并以平均每秒～1噸的速度釋放到木星空間環(huán)境中，通過(guò)光致電離等過(guò)程產(chǎn)生氧離子和硫離子。這些離子在木星磁層中與木星復(fù)雜的電磁場(chǎng)相互作用從而形成更高的能量和更高的價(jià)態(tài)，最終變成了X-射線(xiàn)極光的離子源。
 

　　地質(zhì)地球所的所級(jí)公共實(shí)驗(yàn)室冷湖行星地質(zhì)觀測(cè)中心目前正在建造大口徑行星光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，其首要科學(xué)目標(biāo)是對(duì)木衛(wèi)一火山活動(dòng)導(dǎo)致的離子源在木星系統(tǒng)的演化實(shí)施長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)，進(jìn)一步完善對(duì)全太陽(yáng)系質(zhì)量大、空間物質(zhì)能量最高、磁場(chǎng)最強(qiáng)、以及極光輻射最劇烈的行星――木星空間環(huán)境的物質(zhì)能量循環(huán)過(guò)程的理解。