我国科学家首次阐明太阳风与月磁之间的相互作用机制

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发布时间:2021-05-14 23:04

[摘要]太阳风中的电子流进入磁场中发生偏转振荡,并产生能够被探测到的电磁波,这种电磁波在等离子中传播的过程中有降频现象,他们把这种波称为“月球哨声”。

腾讯太空 乔辉

近期,我国科学家获得了太阳风与月球局部剩余磁场相互作用机制的重要发现,打破了以往人们对这个问题的固有认识。该研究成果发表在了国际著名地学期刊《地球物理学研究快报》(Geophysical Research Letters)上。

图注:张辉、魏勇等行星学家发表的论文截图。

太阳风是源于日冕层的高速带电粒子流,呈等离子状态,主要由质子和电子组成,除此之外,还有其他一些元素的裸原子核。太阳风的速度可达250公里每秒至750公里每秒,超过了其内部磁声波的速度,因此处于一种超音速状态。

图注:超音速太阳风与地球磁场相互作用,形成漂亮的磁层结构(示意图)。

我们知道,当高速太阳风吹过地球时,会与地球的全球性磁场产生相互作用,强烈压缩地球磁场,形成非常漂亮的“磁层”结构。同样,在具有全球性磁场的其他行星当中,也会形成类似的结构。

问题来了,像月球这种只有局部磁场,而没有全球性磁场的天体和磁化小行星这种本身就非常小的天体,他们的小尺度磁场与太阳风的相互作用是一种什么图景呢?

以往,人们由于惯性思维,想当然地认为这种小尺度磁场与太阳风作用,也会形成类似地球磁层结构的东西,由此还起了一个名字叫“迷你磁层“。事情真是这样简单吗?我国科学家的最新文章正是研究的这个问题。

本研究发现了什么有趣的新内容?

科学家研究发现,太阳风与月球局部磁场相互作用的时候,并没有形成磁层状结构。研究表明,太阳风中的电子流进入磁场中发生偏转振荡,并产生能够被探测到的电磁波,这种电磁波在等离子中传播的过程中有降频现象,他们把这种波称为“月球哨声”。由于“月球哨声” 呈现某种左右对称,类似翅膀的结构,因此,形象地称为“哨声翅“(Whistler Wing)。

图注:太阳风与局部小尺度月球磁场相互作用图景。

他们还发现,太阳风中的质子进入磁场区域时表现出另一种情况:质子与该区域底部的电场相互作用更显著,会被电场像镜面一样反射回去。有关电场的形成,科学家推测可能是源于电子和离子的空间分离或者运动解耦。

该发现有什么重要应用呢?

宇宙天体普遍存在磁场,像太阳、木星、土星和地球的大尺度磁场就比较容易探测,通过发射探测器深入磁场内部就能获得很好的数据。但像磁化的小行星或者月球的局部磁场就比较难以接近。

1991年,飞往木星的著名“伽利略”探测器在1600公里的距离上飞掠了一颗名为“951 Gaspra”的小行星,该小行星大小仅十几公里,是一颗磁化的小天体,其磁场延伸范围也仅200公里左右,因此,探测器鞭长莫及,无法用通常的手段进行直接探测。

图注:小行星“951 Gaspra“,大小约十几公里,是一颗磁化的小天体。

同样,月球局部磁场与太阳风的相互作用区一般在30公里以下,而人类的绕月探测器为了降低撞击月球山脉的风险,通常不会飞到这样低的高度,也无法对月球局部磁场进行直接探测。

因此,基于本次的发现,今后科学家就可以通过利用“哨声翅”这种机制对天体局部小区域磁场进行远程间接探测,这增加了一种研究天体磁场的全新手段。

参考文献:

1、《Whistler Wings and Reflected Particles During Solar Wind Interaction of Lunar Magnetic Anomalies》

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL092425

2、《张辉等-GRL:月球哨声翅对微磁层研究的启示》

3、https://en.wikipedia.org/wiki/951_Gaspra

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