科學(xué)家解開月球上方奇異磁暴六十年謎團

科學(xué)家成功破解月球上方奇異磁暴之謎

一項顛覆性發(fā)現(xiàn)，揭開了持續(xù)60年的太空謎題

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

圖片來源：Stock｜太陽風(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，但長期以來，令人困惑的磁爆發(fā)一直暗示其表面上方存在隱藏的動力學(xué)過程。研究表明，這些神秘的尖峰現(xiàn)象源于太陽風(fēng)與局部磁斑塊相遇時觸發(fā)的復(fù)雜等離子體不穩(wěn)定性。圖片來源：Stock

月球上空奇怪的磁暴多年來一直困擾著科學(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首。

眾所周知，月球缺乏強大的磁層。沒有這層保護層，太陽風(fēng)會直接轟擊其表面，剝離物質(zhì)，并使覆蓋其表面的細小危險塵埃帶電。然而長期以來，科學(xué)家們觀察到某些區(qū)域的磁場強度會出現(xiàn)短暫激增，有些甚至達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（LEMEs）的現(xiàn)象自發(fā)現(xiàn)以來一直無法解釋。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到。

突破性論文發(fā)表

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

這種不穩(wěn)定性有時在地球上表現(xiàn)為滾動的波浪狀云圖案。當兩種流體（或在太空中兩種等離子體流）以不同速度相互流過時，便會產(chǎn)生這種現(xiàn)象，形成驅(qū)動波形成的速度剪切。

以往KHI模型的局限性

對于LEMEs而言，科學(xué)家們知道太陽風(fēng)會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。但他們曾認為這種相互作用引發(fā)的KHI僅局限于兩者相遇的邊界，這無法解釋為何他們在距離月球表面數(shù)百公里的航天器上觀測到磁場。

月球表面由KHI引發(fā)的沖擊波和渦流的描繪。圖片來源：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)運算，ShuHua博士和她的同事們意識到，為了解釋這些LEMEs，科學(xué)家們在計算KHI在邊界處的表現(xiàn)時使用的是簡化形式的數(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)鍵傳播機制

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

為了驗證他們的想法，他們借助了模擬——具體來說是非線性磁流體動力學(xué)模擬。他們創(chuàng)建了三個案例，每個案例代表不同的太陽風(fēng)速度，并產(chǎn)生了不同類型的KHI狀態(tài)。其中兩個風(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)會生成快速向上傳播的磁場激波——這與航天器多年來在LEMEs上收集的大部分數(shù)據(jù)相吻合。

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

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介紹月球頂點任務(wù)的圖片，該任務(wù)將探索月球更多的磁異常區(qū)域。來源：中國中國臺灣地區(qū)太空聯(lián)盟YouTube頻道

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模擬結(jié)果和磁場放大

然而，即使在太陽風(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，來自近表面渦旋的波仍會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觀測結(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)中觀察到的磁場類型。而所有不同類型的磁場沖擊和渦流都能通過數(shù)學(xué)建模的這一改進得到解釋，這一事實表明，科學(xué)家看待問題方式的一個簡單調(diào)整就可能解開一個存在已久的謎團。

跨行星意義：不止于月球

不過，這項研究的應(yīng)用范圍不僅僅局限于月球。研究人員指出，同樣的機制可能也在火星上發(fā)生。MAVEN的相關(guān)觀測已證實，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，事實上，除了解釋一個存在已久的謎團外，這種KHI等離子體相互作用的新模型還能為了解太陽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：《弱磁化天體上方由開爾文亥姆霍茲不穩(wěn)定性產(chǎn)生的類激波磁增強》，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

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，與地球相距約38萬公里，直徑約3476公里。其表面遍布環(huán)形山、月海等地形，無大氣層和液態(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的地外天體，對宇宙探索和科學(xué)研究具有重要意義，承載著人類對深空的好奇與向往。

BY: Andy Tomaswick， Universe Today

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參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學(xué)名詞

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

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