科學(xué)家成功破解月球上方奇異磁暴之謎

一項(xiàng)顛覆性發(fā)現(xiàn)，揭開(kāi)了持續(xù)60年的太空謎題

關(guān)鍵突破：首次確認(rèn)「非線性開(kāi)爾文–亥姆霍茲不穩(wěn)定性」是月球磁暴真因

圖片來(lái)源：Stock｜太陽(yáng)風(fēng)與月表磁斑劇烈碰撞的可視化示意

月球可能缺乏全球性的磁屏蔽，但長(zhǎng)期以來(lái)，令人困惑的磁爆發(fā)一直暗示其表面上方存在隱藏的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。研究表明，這些神秘的尖峰現(xiàn)象源于太陽(yáng)風(fēng)與局部磁斑塊相遇時(shí)觸發(fā)的復(fù)雜等離子體不穩(wěn)定性。圖片來(lái)源：Stock

月球上空奇怪的磁暴多年來(lái)一直困擾著科學(xué)家。一種新模型指出，一種意想不到的等離子體相互作用是罪魁禍?zhǔn)住?/p>

眾所周知，月球缺乏強(qiáng)大的磁層。沒(méi)有這層保護(hù)層，太陽(yáng)風(fēng)會(huì)直接轟擊其表面，剝離物質(zhì)，并使覆蓋其表面的細(xì)小危險(xiǎn)塵埃帶電。然而長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們觀察到某些區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)短暫激增，有些甚至達(dá)到月球通常背景水平的10倍。

月球表面磁異常區(qū)（如賴納伽馬）產(chǎn)生的迷你磁層結(jié)構(gòu)示意圖

這些被稱為月球外部磁增強(qiáng)（LEMEs）的現(xiàn)象自發(fā)現(xiàn)以來(lái)一直無(wú)法解釋。研究人員一直難以理解它們的起源，以及它們?nèi)绾窝由斓皆虑虮砻孀銐蚋叩牡胤綇亩缓教炱魈綔y(cè)到。

突破性論文發(fā)表

《天體物理學(xué)雜志通訊》上一項(xiàng)由中國(guó)中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)中央大學(xué)的賴淑華及其同事開(kāi)展的新研究提出，這些信號(hào)是由一種此前未被識(shí)別的開(kāi)爾文亥姆霍茲不穩(wěn)定性形式產(chǎn)生的。

這種不穩(wěn)定性有時(shí)在地球上表現(xiàn)為滾動(dòng)的波浪狀云圖案。當(dāng)兩種流體（或在太空中兩種等離子體流）以不同速度相互流過(guò)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象，形成驅(qū)動(dòng)波形成的速度剪切。

以往KHI模型的局限性

對(duì)于LEMEs而言，科學(xué)家們知道太陽(yáng)風(fēng)會(huì)撞擊月球表巖屑中磁性物質(zhì)表面異常所形成的這些迷你磁層。但他們?cè)J(rèn)為這種相互作用引發(fā)的KHI僅局限于兩者相遇的邊界，這無(wú)法解釋為何他們?cè)诰嚯x月球表面數(shù)百公里的航天器上觀測(cè)到磁場(chǎng)。

月球表面由KHI引發(fā)的沖擊波和渦流的描繪。圖片來(lái)源：Lai等人

像許多物理現(xiàn)象一樣，KHI需要大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，ShuHua博士和她的同事們意識(shí)到，為了解釋這些LEMEs，科學(xué)家們?cè)谟?jì)算KHI在邊界處的表現(xiàn)時(shí)使用的是簡(jiǎn)化形式的數(shù)學(xué)。相反，他們更感興趣的是使用同一現(xiàn)象的所謂非線性分支。

非線性KHI建模：揭示傳統(tǒng)模型忽略的關(guān)鍵傳播機(jī)制

基本上，他們使用了更先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法來(lái)模擬KHI，這種方法能更好地反映他們認(rèn)為在月球表面磁性物質(zhì)產(chǎn)生的迷你磁層與太陽(yáng)風(fēng)之間的邊界上實(shí)際發(fā)生的情況。

為了驗(yàn)證他們的想法，他們借助了模擬——具體來(lái)說(shuō)是非線性磁流體動(dòng)力學(xué)模擬。他們創(chuàng)建了三個(gè)案例，每個(gè)案例代表不同的太陽(yáng)風(fēng)速度，并產(chǎn)生了不同類型的KHI狀態(tài)。其中兩個(gè)風(fēng)速較高的案例產(chǎn)生了激波主導(dǎo)的KHI狀態(tài)，該狀態(tài)會(huì)生成快速向上傳播的磁場(chǎng)激波——這與航天器多年來(lái)在LEMEs上收集的大部分?jǐn)?shù)據(jù)相吻合。

三組太陽(yáng)風(fēng)速度模擬結(jié)果對(duì)比｜高風(fēng)速下激波主導(dǎo)型KHI清晰顯現(xiàn)

月球頂點(diǎn)任務(wù)：未來(lái)實(shí)測(cè)驗(yàn)證啟航

介紹月球頂點(diǎn)任務(wù)的圖片，該任務(wù)將探索月球更多的磁異常區(qū)域。來(lái)源：中國(guó)中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)太空聯(lián)盟YouTube頻道

月球頂點(diǎn)：賴納伽馬磁異常與漩渦的探索｜即將開(kāi)展原位驗(yàn)證

模擬結(jié)果和磁場(chǎng)放大

然而，即使在太陽(yáng)風(fēng)速度較慢的情況下，所形成的渦旋主導(dǎo)的KHI模式仍能在邊界層附近將局部磁場(chǎng)放大到環(huán)境水平的約30至40倍。但令人驚訝的是，即使在這種模式下，來(lái)自近表面渦旋的波仍會(huì)向上傳播到密度更大的等離子體中，在更高的高度產(chǎn)生二次波。

最重要的是，模擬數(shù)據(jù)與月球勘探者收集的一些真實(shí)觀測(cè)結(jié)果相符。這證明了KHI不穩(wěn)定性的非線性版本能夠產(chǎn)生數(shù)據(jù)中觀察到的磁場(chǎng)類型。而所有不同類型的磁場(chǎng)沖擊和渦流都能通過(guò)數(shù)學(xué)建模的這一改進(jìn)得到解釋，這一事實(shí)表明，科學(xué)家看待問(wèn)題方式的一個(gè)簡(jiǎn)單調(diào)整就可能解開(kāi)一個(gè)存在已久的謎團(tuán)。

跨行星意義：不止于月球

不過(guò)，這項(xiàng)研究的應(yīng)用范圍不僅僅局限于月球。研究人員指出，同樣的機(jī)制可能也在火星上發(fā)生。MAVEN的相關(guān)觀測(cè)已證實(shí)，KHI可在火星等離子體環(huán)境中形成，且火星上存在大量與月球類似的地殼異常，它們可能以相同方式相互作用。所以，事實(shí)上，除了解釋一個(gè)存在已久的謎團(tuán)外，這種KHI等離子體相互作用的新模型還能為了解太陽(yáng)系中其他眾多弱磁化天體的空間環(huán)境提供線索。

參考文獻(xiàn)：《弱磁化天體上方由開(kāi)爾文亥姆霍茲不穩(wěn)定性產(chǎn)生的類激波磁增強(qiáng)》，作者：賴淑華、王凱蒂、楊雅惠，《天體物理學(xué)雜志通訊》，DOI：10.3847/20418213ae4745

改編自最初發(fā)表于《今日宇宙》的一篇文章。

相關(guān)知識(shí)

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，與地球相距約38萬(wàn)公里，直徑約3476公里。其表面遍布環(huán)形山、月海等地形，無(wú)大氣層和液態(tài)水。它的引力主導(dǎo)地球潮汐變化，也是人類迄今唯一登陸過(guò)的地外天體，對(duì)宇宙探索和科學(xué)研究具有重要意義，承載著人類對(duì)深空的好奇與向往。

BY: Andy Tomaswick， Universe Today

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參考資料

1.WJ百科全書(shū)

2.天文學(xué)名詞

3.原文來(lái)自：https://scitechdaily/scientists-solve-60-year-old-mystery-of-strange-magnetic-surges-above-the-moon/

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