堯中華，孫天然

1 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029

2 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)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(rèn)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(xué)過程. 在太陽系內(nèi)，木星具有最強(qiáng)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(jī)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(qiáng)的周期性脈沖特征（Gladstone et al., 2002; Dunn et al.,2017），然而關(guān)于木星軟X射線極光的產(chǎn)生機(jī)制卻一直是學(xué)界的未解之謎. Yao等（2021）結(jié)合了Juno飛船和XMM-Newton空間望遠(yuǎn)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(jié)果顯示木星的軟X射線極光與地球的質(zhì)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(qiáng)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(qū)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(dá)到的能量也遠(yuǎn)超過地球磁層對應(yīng)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(zhì)子，而木星空間的主要離子除了質(zhì)子還有火山活動逃逸物質(zhì)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(jià)態(tài)（S6+、S7+、O6+、O7+等），并且能量能夠達(dá)到數(shù)百KeV乃至MeV以上.

通過設(shè)計(jì)環(huán)繞木星探測的Juno衛(wèi)星和地球軌道的XMM-Newton空間望遠(yuǎn)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(guān)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(guān)于壓縮波的來源，Yao等（2021）推測是旋轉(zhuǎn)的木星磁層與磁層頂相互作用所產(chǎn)生，由于旋轉(zhuǎn)的方向是自西向東，因此壓縮效應(yīng)可能會在晨側(cè)更為顯著. 該推測需要進(jìn)一步的研究來驗(yàn)證. 離子回旋波導(dǎo)致的離子沉降過程實(shí)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(jià)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(jià)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(jī)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(shí)際上是高度類似于高價(jià)態(tài)太陽風(fēng)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(jī)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(xué)院和歐空局合作提出了太陽風(fēng)—磁層相互作用全景成像衛(wèi)星計(jì)劃（SMILE衛(wèi)星）（王赤等, 2017），以實(shí)現(xiàn)對地球磁層大尺度結(jié)構(gòu)特性的成像探測，從全局角度探索太陽風(fēng)—磁層相互作用的基本模式.SMILE衛(wèi)星計(jì)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(xué)的高度相似性，因此從科學(xué)上的比較研究和觀測上的互相借鑒都非常具有價(jià)值. Yao等（2021）揭示木星X射線輻射除了與X射線天文進(jìn)行比較研究，更是直接關(guān)聯(lián)傳統(tǒng)空間科學(xué)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(shí)間較長（通常需要超過1分鐘），從而只能獲得較低的時(shí)間和空間分辨觀測.鑒于當(dāng)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(xué)突破上的回報(bào)可能是巨大的，有望突破行星探測項(xiàng)目傳統(tǒng)儀器所聚焦的科學(xué)目標(biāo).

附中文參考文獻(xiàn)

王赤，李自杰，孫天然，等. 2017. "太陽風(fēng)—磁層相互作用全景成像"衛(wèi)星任務(wù)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(jìn)展[J].地球與行星物理論評，52（5）：543-560.