在宇宙中探索磁場

凌安

在過去幾十年中，天文學(xué)家和地球物理學(xué)家從行星磁場研究中獲益匪淺，并致力為其他天體繪制磁場分布圖。這一領(lǐng)域的發(fā)展得益于從“旅行者”號探測到近期的火星大氣層和揮發(fā)物演化任務(wù)（MAVEN）。

展望未來，這一研究領(lǐng)域?qū)⒃谔栂瞪踔镣庑窍档奶剿髦邪l(fā)揮重要作用。美國航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心的賈里德·埃斯普利在該局召開的“行星科學(xué)愿景2050年”發(fā)布會上介紹了這些目標(biāo)，包括推進(jìn)人類對宇宙的探索以及對地外生命的追求。

拿地球及其“兄弟行星”火星做例子。地球的磁場強(qiáng)度范圍為25微米至65微米，這確保了地球表面可居住條件的存在。相比之下，如果火星上存在磁場，其表面就會存在更厚的大氣層和液態(tài)水。

現(xiàn)在，科學(xué)家通過MAVEN和“火星環(huán)球勘測者”號提供的數(shù)據(jù)得知，火星磁場在大約42億年前就已消失。在磁場消失后的5億年中，它的大氣層被緩慢地剝離，這使得它的表面成為我們今天看到的樣子，成為一個寒冷而干燥的地方。

因此，測量行星磁場可能對天文學(xué)家和行星研究人員大有裨益。正如賈里德·埃斯普利通過電子郵件告訴“今日宇宙”的：“直接測量太陽系各處的磁場分布，可以告訴我們這些行星體系如何運(yùn)作。一般來說，我們可以了解行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成，以及它們大氣層中的帶電氣體如何移動，如何變化。例如，我們可以探究歐羅巴是否有地下海洋，木星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的，以及火星是否因太陽風(fēng)侵蝕而失去大氣層。”

作為戈達(dá)德太空飛行中心太陽系探測部（SSED）的研究助理，賈里德·埃斯普利精通火星誘導(dǎo)磁層及空間等離子體的物理學(xué)，并熟知相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展。正如他在“行星科學(xué)愿景2050年”發(fā)布會上介紹的那樣，他們在這個研究領(lǐng)域有幾個課題有待深入。

地下探測

當(dāng)對火星進(jìn)行探索時，使用磁力計有助于科學(xué)家確定其地下結(jié)構(gòu)和組成?，F(xiàn)在，使用“洞察”號著陸器的內(nèi)部勘探任務(wù)計劃于2018年發(fā)射，旨在提供有關(guān)火星的地震、溫度及其形成歷史的信息。此外，它們可被用來定位含水層，這可以幫助科學(xué)家尋找火星上的生命，識別人類殖民所需的資源。

相似的任務(wù)也可以在金星和水星上開展，從而揭示太陽系中所有巖質(zhì)行星是如何形成的，它們有什么共同之處，以及是什么使它們分開的。

空中地磁調(diào)查

通過將磁力計放置在類似滑翔機(jī)或氣球的高空平臺上，可以進(jìn)行行星表面詳細(xì)的地球物理學(xué)表征的探索。通過研究一些改變地殼磁化強(qiáng)度的事件，如火山活動、板塊構(gòu)造、撞擊坑等，來探索地球的地理歷史。

在地球上，這種調(diào)查常被用于觀察近地面材料的特征及礦物勘探。但在其他行星和衛(wèi)星上（尤其是像木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、土衛(wèi)二和土衛(wèi)六這樣的衛(wèi)星），它們可以幫助揭示一些更深層次的奧秘，比如是否可以孕育生命。

目前，計劃中的探索任務(wù)包括原位空中飛行器和機(jī)載偵察、“泰坦空中女兒”探測器和“蜻蜓”等。此外，科學(xué)家還設(shè)計建造了火星直升機(jī)，這是一種使用兩個同軸的反向旋轉(zhuǎn)探測器來探索火星大氣層的裝置，預(yù)計作為“火星2020”任務(wù)的一部分發(fā)射。

行星磁場

磁力計也可用于幫助解決磁層研究中的一些長久以來未解決的奧秘。例如，行星磁球是高度動態(tài)變化的，并且很難區(qū)分時間依賴性或空間依賴性的現(xiàn)象，即磁重新連接、逃逸大氣等離子體結(jié)構(gòu)和等離子體波。

通過部署裝備有磁力計和等離子體光譜儀陣列的微小衛(wèi)星等多個航天器，可以更全面地解決行星磁疇的工作原理?？茖W(xué)家圍繞地球進(jìn)行了一系列任務(wù)，包括測量地球的磁場以及測量太陽風(fēng)與地球磁層之間的相互作用等。

此外，科學(xué)家對其他行星展開了類似的探索。比如，三軸磁通門磁強(qiáng)計是“水手2”號、“水手10”號（探測了維納斯和水星）以及探索水星的“信使”號的一部分，雙重技術(shù)磁力計是“惠更斯”號的一部分。

冰球巨人

我們已經(jīng)知道，海王星和天王星具有強(qiáng)大而獨(dú)特的磁場分布，它們有著相對其旋轉(zhuǎn)軸線大角度傾斜的偶極子。然而，目前該領(lǐng)域的研究尚存空白，并未確定導(dǎo)致此情況產(chǎn)生的原因。因此，在海王星和天王星上使用磁力計探測和測量具有重大的科學(xué)價值。

海洋世界

在未來幾十年，對木衛(wèi)二、土衛(wèi)二和土衛(wèi)六等衛(wèi)星的研究可能是一項重大任務(wù)。事實(shí)上，這也是“行星科學(xué)愿景2050年”研討會的主題。這些任務(wù)將致力在太陽系中尋找地球外的生命，并更多地了解其形成。

正如賈里德·埃斯普利所說，磁力計可以在這些任務(wù)中發(fā)揮關(guān)鍵的作用。任務(wù)初期，他們將用磁力計來測量這些衛(wèi)星可能存在的、位于地下海洋的潛在居住地的深度和位置。此外，利用磁力計可以幫助我們了解這些衛(wèi)星的磁場特征，這具有非常巨大的科學(xué)價值。

賈里德·埃斯普利說：“我們用于測量空間磁場的磁力計相對強(qiáng)大、便宜、可靠，特別是全面考慮了我們可以解決的各種科學(xué)問題。在之后的探測任務(wù)中，所有可容納磁力計的太陽系任務(wù)探測器都應(yīng)配置它。更好地了解太陽系中的行星是如何運(yùn)行的，對我們建立其他恒星系統(tǒng)的模型至關(guān)重要?！?/p>

要想能夠直接研究其他系外行星的磁場分布，肯定還有很長的路要走。但是在很久以前，我們就已經(jīng)可以安裝磁力計設(shè)備到其他行星系統(tǒng)并仔細(xì)檢查。對行星磁場的研究可以幫助我們確定在近年來我們發(fā)現(xiàn)的許多系外行星中，哪些具備適宜生命生存的環(huán)境。