潘東曉等-GRL：木星極光與低頻波動的相關性——哈勃太空望遠鏡和朱諾號飛船的聯合觀測證據
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空間等離子體過程，並且不同位置的極光可以反映行星空間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下流，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”驅動機制被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（譬如Cowley et al., 2001）。然而，隨著觀測資料的增多，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了重大的挑戰。Yao et al.（2019）首次使用朱諾號飛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“裝解除安裝”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。而其他的驅動機制，例如波動，也被提出用於解釋木星極光的產生。迄今為止，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，豐富的觀測資料清晰地顯示了阿爾芬波在極光驅動方面的重要作用，並逐漸改變了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（Saur et al., 2018）。此後，Gershman et al.（2019）使用朱諾號飛船觀測資料研究阿爾芬擾動和極光的關係，他們發現，在朱諾號飛掠極光區域的時候，可以看到阿爾芬擾動的增強。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芬波而不能提供阿爾芬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太空中心主任Denis Grodent教授和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資料，配合朱諾號飛船在木星磁層中的磁場探測資料，直接從這兩方面的觀測出發，研究木星極光與阿爾芬波動的關聯。在木星上，阿爾芬波動的週期一般在幾十分鐘，因此該工作選擇週期在1-60分鐘的低頻阿爾芬擾動進行研究。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（圖1）。這一結果從統計的角度首次直接證實了阿爾芬波與木星極光的關聯，為阿爾芬波驅動木星極光這一理論框架提供了重要的觀測證據。
圖1 木星極光功率與阿爾芬波動強度的關係
研究成果發表於國際權威學術期刊Geophysical Research Letters（潘東曉，堯中華*，Harry Manners, William Dunn, Bertrand Bonfond,Denis Grodent, Binzheng Zhang，郭瑞龍，魏勇. Ultralow-frequency waves in driving Jovianaurorae revealed by observations from HST and Juno[J]. Geophysical ResearchLetters, 2021, 48: e2020GL091579. DOI:10.1029/2020GL091579）。本研究得到中科院A類先導專項專案（鴻鵠專項，XDA17010201）、國家自然科學基金專案（42004149, 41704169, 42074211）和中科院地質與地球物理研究所重點部署專案（IGGCAS-201904）等專案的資助。
校對：張騰飛、姜雪蛟
