木星軟X射線極光產(chǎn)生機制與探測科學展望

堯中華，孫天然

1 中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029

2 中國科學院國家空間科學中心 北京 100190

極光是行星大氣的發(fā)光現(xiàn)象，普遍存在于太陽系行星，也被認為存在于太陽系外行星. 極光輻射反映的是行星空間環(huán)境的高能粒子動力學過程. 在太陽系內，木星具有最強的極光輻射，提供給我們重要的遙感手段來理解木星空間高能粒子環(huán)境. 此外，木星的軟X射線是太陽系最特殊一類極光現(xiàn)象，其產(chǎn)生機制顯著區(qū)別于主要由電子沉降激發(fā)的木星的紫外極光. 研究發(fā)現(xiàn)木星軟X射線有很強的周期性脈沖特征（Gladstone et al., 2002; Dunn et al.,2017），然而關于木星軟X射線極光的產(chǎn)生機制卻一直是學界的未解之謎. Yao等（2021）結合了Juno飛船和XMM-Newton空間望遠鏡的觀測（圖1），揭示了木星軟X射線極光產(chǎn)生的完整物理鏈條. 該研究結果顯示木星的軟X射線極光與地球的質子極光產(chǎn)生物理過程有較大的類似之處（Yuan et al., 2010），凸顯了行星空間環(huán)境中類似的基本等離子體物理過程.

行星極光的主要產(chǎn)生過程是空間能量電子沿磁力線沉降至行星大氣，通過與大氣碰撞使大氣的分子原子產(chǎn)生受激輻射過程，從而釋放極光. 大多數(shù)極光觀測，譬如地球的綠色、紅色和紫色極光都是指的電子極光. 相比于地球，太陽系最大的行星木星的極光強度是地球的數(shù)百倍. 木星空間環(huán)境是由活躍的木衛(wèi)一火山活動驅動的，并且?guī)щ娏Ｗ釉诰薮蟮哪拘谴艑油ㄟ^電磁加速過程達到的能量也遠超過地球磁層對應的區(qū)域，因此產(chǎn)生極光的沉降粒子能量也較大. 由于粒子來源與地球不同，木星磁層空間的等離子體組分與地球有顯著差異. 地球磁層空間的主要離子是質子，而木星空間的主要離子除了質子還有火山活動逃逸物質電離之后的氧離子和硫離子（堯中華等，2021）. 這些重離子的電離度和能量都是廣泛分布的，其中部分重離子能被電離到高價態(tài)（S6+、S7+、O6+、O7+等），并且能量能夠達到數(shù)百KeV乃至MeV以上.

通過設計環(huán)繞木星探測的Juno衛(wèi)星和地球軌道的XMM-Newton空間望遠鏡的聯(lián)合探測，Yao等（2021）發(fā)現(xiàn)木星磁層的壓縮波、電磁離子回旋波、高能量重離子和X射線輻射有很好的相關性，并且通過數(shù)值模型揭示電磁離子回旋波對高能重離子的有效散射效果. 關于壓縮波的來源，Yao等（2021）推測是旋轉的木星磁層與磁層頂相互作用所產(chǎn)生，由于旋轉的方向是自西向東，因此壓縮效應可能會在晨側更為顯著. 該推測需要進一步的研究來驗證. 離子回旋波導致的離子沉降過程實際上與地球的離子極光過程是類似的，只不過木星的離子是高價態(tài)的高能重離子，因此所產(chǎn)生的離子極光表現(xiàn)在軟X射線波段.

高價態(tài)的重離子沉降到木星大氣會與木星大氣的中性成分交換電荷，通過電荷交換機制產(chǎn)生軟X射線輻射，也就是我們常說的木星軟X射線極光. 這一過程實際上是高度類似于高價態(tài)太陽風重離子與行星大氣逃逸出的中性成分碰撞通過電荷交換產(chǎn)生X射線的機制. 該過程是地球磁鞘在軟X射線波段產(chǎn)生輻射的主要原因. 基于這一現(xiàn)象，中國科學院和歐空局合作提出了太陽風—磁層相互作用全景成像衛(wèi)星計劃（SMILE衛(wèi)星）（王赤等, 2017），以實現(xiàn)對地球磁層大尺度結構特性的成像探測，從全局角度探索太陽風—磁層相互作用的基本模式.SMILE衛(wèi)星計劃于2024年底發(fā)射.

基于木星X射線極光和地球X射線科學的高度相似性，因此從科學上的比較研究和觀測上的互相借鑒都非常具有價值. Yao等（2021）揭示木星X射線輻射除了與X射線天文進行比較研究，更是直接關聯(lián)傳統(tǒng)空間科學重要的基本等離子體物理過程. 地球軌道觀測到的木星X射線通量非常低，因此觀測的積分時間較長（通常需要超過1分鐘），從而只能獲得較低的時間和空間分辨觀測.鑒于當前X射線儀器還從未被搭載在任何木星探測衛(wèi)星上，該類儀器抵近探測木星能在科學突破上的回報可能是巨大的，有望突破行星探測項目傳統(tǒng)儀器所聚焦的科學目標.

附中文參考文獻

王赤，李自杰，孫天然，等. 2017. "太陽風—磁層相互作用全景成像"衛(wèi)星任務概況[J]. 國際太空，464: 13-16.

堯中華，郭瑞龍，袁憧憬，等. 2021. 巨行星空間環(huán)境研究進展[J].地球與行星物理論評，52（5）：543-560.