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地质地球所揭示木星极区软X-射线极光成因之谜

2021-07-15 10:19     来源:中科院     X射线
40年前,天文学家利用太空望远镜发现了木星的X-射线极光辐射,并把它看作是认识宇宙空间X-射线辐射机制的重要参考。之后的持续观测让学界对木星X-射线极光特征有了系统认识,但对它的产生机理却一直缺乏解释。随着国际上木星探测飞船的实施,学界首次直接“看到”了木星X-射线辐射时的空间过程,这为解释木星X-射线极光成因提供了必要条件。

事实上,学界对木星极光的主要认知来自哈勃太空望远镜对木星极区长达近30年的紫外光学波段观测。哈勃太空望远镜的高时空分辨数据精准刻画了木星极光的特征,但关于其产生机制认知不充分的一个核心原因是缺少同步的飞船原位探测。换句话说,科研人员知道极光发生的特征,根据基本物理约束,能够猜测到一些可能的形成机制,但并不能完全确认具体是哪个机制。此外,哈勃太空望远镜的观测都是基于地球轨道视角,因此无法看到木星背面极区的极光过程,而基于学界对地球极光的认知,夜侧往往是重要的极光过程的起源阶段。

在历时5年的太空飞行后,朱诺号木星飞船探测器于2016年到达木星轨道,为揭秘木星极光过程提供了关键机遇。朱诺号至今为期5年的观测已经显著改变了学界过去40年对木星极光的既有认知,其主要进展表现在以下三方面:

(1)朱诺号飞船上的极光相机首次拍摄到木星夜侧极光过程,揭示了木星最重要的极光现象——木星晨暴的起源和发展阶段,更新了科研人员对木星极光的认知。传统观点认为木星极光跟地球的驱动过程完全不同,但朱诺号飞船的极光拍摄显示了木星的极光晨暴与地球的极光亚暴过程具有惊人的相似,从而确认了木星跟地球的磁层空间具有重要的相似过程。研究成果发表在AGU Advances(Bonfond et al., 2021)上,比利时列日大学研究员Bertrand Bonfond和中国科学院地质与地球物理研究所特聘研究员尧中华是论文的共同第一和共同通讯作者。该研究成果被美国宇航局(NASA)作为亮点成果进行报道。

(2)极光现象实际上反映的是行星磁层空间的能量释放过程,因此通过研究极光结构,能够获得重要的磁层物理过程。传统教科书认为行星磁层的基本图像都是类似的,即日侧的压缩结构和夜侧的拉伸结构,并且都给出如图2的磁场构型。传统图像认为不同磁层的主要差异是其大小,而磁力线的主要拓扑构型是接近的。

根据该磁层图像,水星、地球、土星和木星都会在靠近磁轴的区域将该区域的磁力线直接连接到太阳风当中,科研人员称之为开放的磁力线。相比磁力线两端连接到行星的两极区域的闭合磁力线,开放磁力线中的高能粒子会迅速被损失到行星际空间中,因此无法积累足够的能通量产生极光。因此,行星靠近磁轴的区域都被认为存在一个缺少极光辐射的极盖区。地球和土星极光观测的确显示黑暗的极盖区,该图像在理解木星极光观测上却失效了——木星并没有一个黑暗的极盖区。

相反,如图3所示,木星的极盖区极光过程异常活跃,显示这一区域的磁力线不但闭合,而且持续受到外界的扰动。要理解木星极盖区这一不同寻常的极光过程,必须理解木星的全球磁场拓扑结构。考虑到木星磁矩是地球的20000倍之巨,其磁层也是巨大的,卫星的单点测量无法帮助科研人员获得木星复杂的磁层磁场结构。利用高性能数值求解程序,在对磁通量守恒严格限定之后,尧中华和香港大学教授张彬铮合作,通过数值模拟手段揭示了木星极区的磁力线为闭合磁力线,即从极区出发的磁力线通过螺旋的方式旋转到磁层的晨侧区域,并最终回到木星的另一个磁极,因此这些磁力线能够在木星晨侧磁层中约束能量粒子。

另一方面,木星晨侧区域的磁鞘等离子体流和木星磁层旋转等离子体流方向相反,因而持续产生剧烈扰动,这与极区对应的活跃极光也是一致的。研究成果发表在Science Advances(Zhang et al., 2021)上,研究工作获得地质地球所重点自主部署项目的资助。

(3)木星极盖区独有的活跃极光特征是木星软X-射线极光产生的区域。为了解决太阳系目前已知唯一的软X-射线极光成因,尧中华与英国伦敦大学学院博士William Dunn经过长期合作,规划和实施一系列的XMM-Newton望远镜观测,配合朱诺号飞船在木星磁层内的穿越观测,最终揭示了木星软X-射线极光产生的完整链条。研究成果发表于Science Advances(Yao et al., 2021),该研究被欧空局选为亮点,以“产生木星X-射线极光的谜题解决了”为标题进行专题报道。该工作获得中科院战略性先导科技专项(A类)和地质地球所重点自主部署项目的资助。

木星X-射线极光主要是高能量、高价态的氧离子和硫离子通过与木星极区大气分子和原子电荷交换所产生的光学辐射。追溯其物质来源,木星系统这些重离子来自于木卫一(Io)的火山活动。木卫一在1610年(即伽利略发明天文望远镜的第二年)被伽利略发现,并且与Europa、Ganymede和Callisto一起被称为伽利略卫星群。木卫一是太阳系中最活跃的天体,上面有大约400颗活火山,喷发物质中有大量的二氧化硫通过大气逃逸释并以平均每秒~1吨的速度释放到木星空间环境中,通过光致电离等过程产生氧离子和硫离子。这些离子在木星磁层中与木星复杂的电磁场相互作用从而形成更高的能量和更高的价态,最终变成了X-射线极光的离子源。

地质地球所的所级公共实验室冷湖行星地质观测中心目前正在建造大口径行星光学望远镜,其首要科学目标是对木卫一火山活动导致的离子源在木星系统的演化实施长时间的连续观测,进一步完善对全太阳系质量最大、空间物质能量最高、磁场最强、以及极光辐射最剧烈的行星——木星空间环境的物质能量循环过程的理解。

图1.木星晨爆极光和地球亚暴极光的对比。Credits: NASA/JPL-Caltech/SwRI/UVS/STScI/MODIS/WIC/IMAGE/ULiege

图2.水星、地球、土星和木星的磁层结构对比。Credit: Fran Bagenal & Steve Bartlett

图3.木星(左)和地球(右)极区极光


图4.朱诺号飞船和XMM-Newton太空望远镜联合揭示磁层波动散射高能重离子,从而产生极区软X-射线极光过程。Credit: ESA/NASA/Yao/Dunn

 

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