月球代表的是一類無氣體天體，早期人們認(rèn)為月球的空間環(huán)境相對(duì)比較簡(jiǎn)單，來自太陽(yáng)的太陽(yáng)風(fēng)可以毫無障礙地轟擊向陽(yáng)面月表，并在背陽(yáng)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)果表明月球雖然沒有全球性的偶極場(chǎng)，但是有廣泛分布的月殼剩磁，稱作磁異常。一些磁異常的強(qiáng)度可達(dá)上百nT，它們可以造成太陽(yáng)風(fēng)減速和偏轉(zhuǎn)，從而降低達(dá)到月面的太陽(yáng)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)在一定程度上類似于地球磁層，由于尺度小，人們稱之為微磁層。微磁層代表了太陽(yáng)系中最小的磁層結(jié)構(gòu)，它的研究有助于人們理解太陽(yáng)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(guó)未來月球科研站的建立具有重要意義。
嚴(yán)格來講，微磁層應(yīng)包含激波、磁鞘區(qū)以及中心密度空腔結(jié)構(gòu)。但比較奇怪的是，目前所有有關(guān)月球微磁層的觀測(cè)都只看到密度和磁場(chǎng)的增強(qiáng)，并沒有看到所謂的中心密度空腔。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。還有一種可能就是月球微磁層可能并不能完全形成，即根本就沒有密度空腔。另外，以往所有觀測(cè)都只是單點(diǎn)觀測(cè)，微磁層的全局圖像是怎樣的仍不清楚。總的來說，微磁層是如何形成以及微磁層的大尺度結(jié)構(gòu)是怎樣的都有待更多觀測(cè)數(shù)據(jù)來揭曉答案。
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)剛好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)微磁層提供了良好機(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(guó)科學(xué)院國(guó)家空間中心太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的謝良海副研究員、李磊研究員和張愛兵研究員等人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，微磁層的形成與離子慣性長(zhǎng)度相關(guān)，即離子慣性長(zhǎng)度越小，則越有利于微磁層形成，相應(yīng)的遮擋效率也越高。最近，謝等人又利用ASAN數(shù)據(jù)找到了一次難得的事件，事件中太陽(yáng)風(fēng)離子慣性長(zhǎng)度只有50 公里左右（低于98%以上的太陽(yáng)風(fēng)），理論上最有利于形成微磁層。同時(shí)，美國(guó)阿爾忒彌斯計(jì)劃（ARTEMIS）已經(jīng)在月球軌道的兩顆衛(wèi)星剛好有一顆（P1）位于磁異常上游，另一顆（P2）位于磁異常下游，再結(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)（如圖1）。借助該多點(diǎn)觀測(cè)，研究人員不僅有望揭曉微磁層的全局圖像，同時(shí)也有望利用ASAN數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)微磁層內(nèi)部是否存在密度空腔。
圖1 嫦娥四號(hào)聯(lián)合ARTEMIS兩顆衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)微磁層的多點(diǎn)觀測(cè)
通過分析數(shù)據(jù)研究人員發(fā)現(xiàn)，ARTEMIS衛(wèi)星在磁異常下游看到了明顯的激波結(jié)構(gòu)，這與離子慣性長(zhǎng)度小有利于形成微磁層的預(yù)期一致。然而，通過分析ASAN數(shù)據(jù)，謝等人發(fā)現(xiàn)大約有2/3的太陽(yáng)風(fēng)被磁異常擋住了，但仍然有1/3的太陽(yáng)風(fēng)穿過了磁異常并達(dá)到月面。此外，在穿越磁異常的過程中太陽(yáng)風(fēng)的能量從492eV降到了325eV（圖2）。這些結(jié)果表明，即使在最有利于形成微磁層的情況下，磁異常仍然不能完全屏蔽太陽(yáng)風(fēng)（穿透率1/3），并且太陽(yáng)風(fēng)的速度也沒有降到0。因此，所謂的中心密度空腔區(qū)是不存在的，磁異常對(duì)太陽(yáng)風(fēng)的主要作用是偏轉(zhuǎn)和減速，從而造成月面法向太陽(yáng)風(fēng)通量降低，在一定程度上保護(hù)了月面。
圖2 嫦娥四號(hào)ASAN探測(cè)器看到的ENA能譜，其中Case1位于磁異常下游，Case2和Case3位于磁異常上游，用于分析磁異常對(duì)太陽(yáng)風(fēng)的減速和偏轉(zhuǎn)作用
基于以上觀測(cè)證據(jù)，研究人員提出了太陽(yáng)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(yáng)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)的共同作用會(huì)讓太陽(yáng)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)相互疊加形成類似于邊界層一樣的結(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）。
圖3 太陽(yáng)風(fēng)與月面磁異常相互作用示意圖
這些研究結(jié)果表明，所謂的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)并沒有密度空腔，而只有太陽(yáng)風(fēng)偏轉(zhuǎn)帶來的邊界層。另外，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。這些大大提高了人們對(duì)于太陽(yáng)風(fēng)與月球磁異常相互作用的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)進(jìn)一步研究月球微磁層以及實(shí)施相關(guān)探測(cè)任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。該項(xiàng)研究成果發(fā)表于國(guó)際著名期刊The Astrophysical Journal Letters。
論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac903f
引用: Xie, L.*, Li, L., Zhang, A., et al. (2022). Multipoint Observation of the Solar Wind Interaction with Strong Lunar Magnetic Anomalies by ARTEMIS Spacecraft and Chang'E-4 Rover. The Astrophysical Journal Letters, 937:L5 (5pp). https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac903f.
