從哈勃太空望遠鏡和朱諾號太空船聯合觀測證據看木星極光與低頻波動的相關性

木星擁有太陽系中最強的極光活動，其絢麗發光現象背後對應著豐富的太空中等離子體過程，並且不同位置的極光可以反應行星在太空中不同區域的物理過程。

目前主流的木星極光產生機制是1979年由布爾（Hill）提出來的「共轉破壞」驅動機制。該觀點認為，木星旋轉只能夠帶動靠近行星區域的磁層共轉，而距離較遠的磁層區域則難以維持共轉，從而在磁層中形成等離子體的剪切流，驅動環狀粒子沉降 以形成極區主極光帶。在此後很長的時間裡，「共轉破壞」驅動機制認為是標準的巨行星磁層電離層耦合驅動機制，隨後基於該理論發展出多個極光電流模型。

隨著觀測數據的增多，研究人員發現越來越多與模型預測不同的觀測事實，對傳統極光電流模型提出重大的挑戰。天文學家首次使用美國朱諾號（Juno）太空船在磁層內連續數天的觀測配合同時的哈勃太空望遠鏡觀測，提出類似於地球磁層的磁能「裝卸載」過程也存在於木星，可以 用於解釋極光的亮度變化，這一機制與「共轉破壞」誘發驅動機制是相互獨立的過程。 而其它驅動機制，例如：波動，也提出用於解釋木星極光的產生。到目前為止，由於缺少充分的木星極光和磁層聯合觀測觀測，關於木星極光的產生機制之爭是木星磁層領域的研究焦點。

在地球上，豐富的觀測數據清晰地顯示了阿爾文波（Alfvén wave）在極光驅動方面的重要作用，並逐漸改變學界對木星極光驅動過程的認識。 在木星上，有理論研究曾提出阿爾芬波在驅動木星極光方面的重要意義。 此後，格甚曼（Gershman）團隊使用朱諾號觀測數據研究阿爾文波擾動和極光的關係，他們發現，在朱諾號飛掠極光區域的時候，可以看到阿爾文波擾動的增強。但他們的研究沒有涉及直接的極光觀測資料，因此只能證明該區域存在阿爾文波而不能提供阿爾文波與極光輻射強度的關聯。

中國科學院地質與地球物理研究所博士後潘東曉與堯中華副研究員、魏勇研究員，以及比利時列日大學（University of Liege）太空中心主任丹尼斯·格羅登（Denis Grodent）教授和伯全·邦分（Bertrand Bonfond）研究員等人，設計並利用哈勃太空望遠鏡對木星極光的觀測數據，配合朱諾號在木星磁層中的磁場探測數據，直接從這兩方面的觀測出發，研究木星極光與阿爾文波動的關聯。

在木星上，阿爾文波動的周期一般在幾十分鐘，因此該工作選擇週期在1至60分鐘的低頻阿爾文波擾動進行研究。研究結果顯示，極光輻射強的事件對應的波動強度越強，二者有很好的相關性（上圖）。這個結果從統計的角度首次直接證實了阿爾文波與木星極光的關聯，為阿爾文波驅動木星極光這一理論提供了重要的觀測證據。

【圖、文：節錄自中國科學院地質與地球物理研究所2021年6月21日新聞公佈；新聞資訊由林景明提供】研究全文刊登在2021年2月1日出版的《地球物理學硏究快報》