木星软X射线极光产生机制与探测科学展望

尧中华，孙天然

1 中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029

2 中国科学院国家空间科学中心 北京 100190

极光是行星大气的发光现象，普遍存在于太阳系行星，也被认为存在于太阳系外行星. 极光辐射反映的是行星空间环境的高能粒子动力学过程. 在太阳系内，木星具有最强的极光辐射，提供给我们重要的遥感手段来理解木星空间高能粒子环境. 此外，木星的软X射线是太阳系最特殊一类极光现象，其产生机制显著区别于主要由电子沉降激发的木星的紫外极光. 研究发现木星软X射线有很强的周期性脉冲特征（Gladstone et al., 2002; Dunn et al.,2017），然而关于木星软X射线极光的产生机制却一直是学界的未解之谜. Yao等（2021）结合了Juno飞船和XMM-Newton空间望远镜的观测（图1），揭示了木星软X射线极光产生的完整物理链条. 该研究结果显示木星的软X射线极光与地球的质子极光产生物理过程有较大的类似之处（Yuan et al., 2010），凸显了行星空间环境中类似的基本等离子体物理过程.

行星极光的主要产生过程是空间能量电子沿磁力线沉降至行星大气，通过与大气碰撞使大气的分子原子产生受激辐射过程，从而释放极光. 大多数极光观测，譬如地球的绿色、红色和紫色极光都是指的电子极光. 相比于地球，太阳系最大的行星木星的极光强度是地球的数百倍. 木星空间环境是由活跃的木卫一火山活动驱动的，并且带电粒子在巨大的木星磁层通过电磁加速过程达到的能量也远超过地球磁层对应的区域，因此产生极光的沉降粒子能量也较大. 由于粒子来源与地球不同，木星磁层空间的等离子体组分与地球有显著差异. 地球磁层空间的主要离子是质子，而木星空间的主要离子除了质子还有火山活动逃逸物质电离之后的氧离子和硫离子（尧中华等，2021）. 这些重离子的电离度和能量都是广泛分布的，其中部分重离子能被电离到高价态（S6+、S7+、O6+、O7+等），并且能量能够达到数百KeV乃至MeV以上.

通过设计环绕木星探测的Juno卫星和地球轨道的XMM-Newton空间望远镜的联合探测，Yao等（2021）发现木星磁层的压缩波、电磁离子回旋波、高能量重离子和X射线辐射有很好的相关性，并且通过数值模型揭示电磁离子回旋波对高能重离子的有效散射效果. 关于压缩波的来源，Yao等（2021）推测是旋转的木星磁层与磁层顶相互作用所产生，由于旋转的方向是自西向东，因此压缩效应可能会在晨侧更为显著. 该推测需要进一步的研究来验证. 离子回旋波导致的离子沉降过程实际上与地球的离子极光过程是类似的，只不过木星的离子是高价态的高能重离子，因此所产生的离子极光表现在软X射线波段.

高价态的重离子沉降到木星大气会与木星大气的中性成分交换电荷，通过电荷交换机制产生软X射线辐射，也就是我们常说的木星软X射线极光. 这一过程实际上是高度类似于高价态太阳风重离子与行星大气逃逸出的中性成分碰撞通过电荷交换产生X射线的机制. 该过程是地球磁鞘在软X射线波段产生辐射的主要原因. 基于这一现象，中国科学院和欧空局合作提出了太阳风—磁层相互作用全景成像卫星计划（SMILE卫星）（王赤等, 2017），以实现对地球磁层大尺度结构特性的成像探测，从全局角度探索太阳风—磁层相互作用的基本模式.SMILE卫星计划于2024年底发射.

基于木星X射线极光和地球X射线科学的高度相似性，因此从科学上的比较研究和观测上的互相借鉴都非常具有价值. Yao等（2021）揭示木星X射线辐射除了与X射线天文进行比较研究，更是直接关联传统空间科学重要的基本等离子体物理过程. 地球轨道观测到的木星X射线通量非常低，因此观测的积分时间较长（通常需要超过1分钟），从而只能获得较低的时间和空间分辨观测.鉴于当前X射线仪器还从未被搭载在任何木星探测卫星上，该类仪器抵近探测木星能在科学突破上的回报可能是巨大的，有望突破行星探测项目传统仪器所聚焦的科学目标.

附中文参考文献

王赤，李自杰，孙天然，等. 2017. "太阳风—磁层相互作用全景成像"卫星任务概况[J]. 国际太空，464: 13-16.

尧中华，郭瑞龙，袁憧憬，等. 2021. 巨行星空间环境研究进展[J].地球与行星物理论评，52（5）：543-560.