月球代表的是一類無氣體天體。早期研究認(rèn)為，月球的空間環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單，來自太陽的太陽風(fēng)可毫無障礙地轟擊向陽面月表，并在背陽面留下一個(gè)低密度、低壓強(qiáng)的月球尾跡。然而，最近探測(cè)結(jié)果表明，月球雖無全球性的偶極場(chǎng)，但有廣泛分布的月殼剩磁，稱磁異常。一些磁異常的強(qiáng)度可達(dá)上百nT，可造成太陽風(fēng)減速和偏轉(zhuǎn)，從而降低達(dá)到月面的太陽風(fēng)通量，換句話說，就是保護(hù)了月面。這種磁場(chǎng)保護(hù)結(jié)構(gòu)在一定程度上類似地球磁層，且尺度小，稱微磁層。微磁層代表太陽系中最小的磁層結(jié)構(gòu)，對(duì)于它的研究有助于探究太陽風(fēng)與小尺度磁場(chǎng)的相互作用。此外，微磁層也可為月面探測(cè)活動(dòng)提供相對(duì)安全的空間環(huán)境，對(duì)我國未來建立月球科研站具有重要意義。

　　微磁層包含激波、磁鞘區(qū)及中心密度空腔結(jié)構(gòu)。目前，有關(guān)月球微磁層的觀測(cè)均只看到密度和磁場(chǎng)的增強(qiáng)，并未看到中心密度空腔。這些觀測(cè)似乎只看到激波或磁鞘區(qū)，而沒有看到微磁層內(nèi)部。抑或是月球微磁層可能并不能完全形成，即根本沒有密度空腔。另外，以往觀測(cè)均只是單點(diǎn)觀測(cè)，微磁層的全局圖像仍不清楚。微磁層如何形成以及微磁層的大尺度結(jié)構(gòu)，有待更多觀測(cè)數(shù)據(jù)來闡釋。

　　嫦娥四號(hào)是人類首個(gè)著陸在月球背面的探測(cè)器，其著陸點(diǎn)位于月球最大磁異常區(qū)——雨海對(duì)趾區(qū)的東部邊緣，這為在月面就位探測(cè)微磁層提供了機(jī)會(huì)。利用嫦娥四號(hào)巡視器搭載的中性原子探測(cè)儀（ASAN）數(shù)據(jù)，中國科學(xué)院國家空間中心太陽活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員謝良海、研究員李磊/張愛兵等發(fā)現(xiàn)，微磁層的形成與離子慣性長度相關(guān)，即離子慣性長度越小，越有利于微磁層形成，相應(yīng)的遮擋效率也越高。近日，科研人員利用ASAN數(shù)據(jù)找到了一次難得的事件。事件中太陽風(fēng)離子慣性長度只有50 公里左右（低于98%以上的太陽風(fēng)），理論上最有利于形成微磁層。同時(shí)，美國阿爾忒彌斯計(jì)劃（ARTEMIS）已在月球軌道的兩顆衛(wèi)星，有一顆（P1）位于磁異常上游，另一顆（P2）位于磁異常下游，并結(jié)合位于月面磁異常附近的ASAN數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)微磁層的首次多點(diǎn)觀測(cè)（圖1）。借助該多點(diǎn)觀測(cè)，研究有望揭示微磁層的全局圖像，并有望利用ASAN數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)微磁層內(nèi)部是否存在密度空腔。

　　研究分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，ARTEMIS衛(wèi)星在磁異常下游看到明顯的激波結(jié)構(gòu)，這與離子慣性長度小有利于形成微磁層的預(yù)期一致。而研究分析ASAN數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，約2/3的太陽風(fēng)被磁異常擋住，但1/3的太陽風(fēng)穿過磁異常并達(dá)到月面。此外，在穿越磁異常的過程中太陽風(fēng)的能量從492eV降到325eV（圖2）。結(jié)果表明，即使在最有利于形成微磁層的情況下，磁異常仍不能完全屏蔽太陽風(fēng)（穿透率1/3），且太陽風(fēng)的速度也未降到0。因此，中心密度空腔區(qū)是不存在的，磁異常對(duì)太陽風(fēng)的主要作用是偏轉(zhuǎn)和減速，從而造成月面法向太陽風(fēng)通量降低，在一定程度上保護(hù)了月面。

　　基于以上觀測(cè)證據(jù)，研究提出了太陽風(fēng)與磁異常相互作用的新圖像。如圖3所示，磁異常區(qū)包含多個(gè)分離的小尺度（特征寬度為幾十公里）子磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，單個(gè)子磁場(chǎng)對(duì)太陽風(fēng)只能造成微弱的偏轉(zhuǎn)和減速作用，相應(yīng)的會(huì)產(chǎn)生磁聲波和壓縮區(qū)，但并不能形成激波。多個(gè)子磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的共同作用使得太陽風(fēng)偏轉(zhuǎn)得越來越明顯，最終可以平行月面甚至反向朝上流動(dòng)。這些子磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)帶來的壓縮區(qū)會(huì)相互疊加形成類似邊界層一樣的結(jié)構(gòu)。此外，反向朝上的流動(dòng)與高超聲速的來流相互作用，最終在磁異常下游形成尾激波結(jié)構(gòu)（Trailing shock）。　　　　

　　該研究表明，月球微磁層不同于一般意義上的磁層，在它的中心磁場(chǎng)區(qū)沒有密度空腔，只有太陽風(fēng)偏轉(zhuǎn)帶來的邊界層。此外，在磁異常上游也可能沒有分離的弓激波，而只有下游的尾激波。這提高了科學(xué)家對(duì)太陽風(fēng)與月球磁異常相互作用的認(rèn)識(shí)，并為后續(xù)進(jìn)一步探索月球微磁層及實(shí)施相關(guān)探測(cè)任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果發(fā)表在The Astrophysical Journal Letters上。

　　論文鏈接

轉(zhuǎn)自中國科學(xué)院

https://www.cas.cn/syky/202209/t20220922_4848439.shtml

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