行星的內(nèi)稟磁場(chǎng)延伸至行星臨近空間，影響周?chē)牡入x子體環(huán)境形成磁層，保護(hù)行星免受來(lái)自太陽(yáng)的粒子——太陽(yáng)風(fēng)的干擾。當(dāng)磁層與劇烈變化的太陽(yáng)風(fēng)相互作用，例如太陽(yáng)耀斑爆發(fā)時(shí)，磁層頂部的磁力線(xiàn)會(huì)與太陽(yáng)風(fēng)攜帶的磁力線(xiàn)重聯(lián)（點(diǎn)擊觀看）。磁重聯(lián)過(guò)程可以改變磁場(chǎng)的拓?fù)湫螒B(tài)，釋放磁場(chǎng)能量，使得等離子體能量急劇升高，并產(chǎn)生高速的粒子噴流，從而使行星磁層變得不穩(wěn)定，觸發(fā)磁層亞暴以及磁暴，導(dǎo)致極光等現(xiàn)象的爆發(fā)。在地球上，這一過(guò)程會(huì)影響人造衛(wèi)星的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)其造成損害，嚴(yán)重的磁暴甚至可以直接使得地面的電力輸運(yùn)系統(tǒng)癱瘓。
磁重聯(lián)是太陽(yáng)風(fēng)和行星磁層頂磁場(chǎng)相聯(lián)并交換物質(zhì)的關(guān)鍵過(guò)程，同時(shí)也是磁層內(nèi)部磁能釋放的重要機(jī)制。在面向太陽(yáng)一側(cè)（日側(cè)），磁層受到太陽(yáng)風(fēng)的沖擊，粒子和能量主要通過(guò)磁層頂磁重聯(lián)進(jìn)入磁層，但磁層頂以外的日側(cè)磁層區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)形態(tài)無(wú)法滿(mǎn)足磁重聯(lián)的觸發(fā)條件。在磁層內(nèi)，磁重聯(lián)只能夠發(fā)生在背向太陽(yáng)一側(cè)（夜側(cè)）的磁尾，磁尾是地球磁層劇烈活動(dòng)的始發(fā)地.。
圖1 卡西尼號(hào)飛船在土星日側(cè)磁層內(nèi)部觀測(cè)到磁重聯(lián)過(guò)程（示意圖） （圖片來(lái)源：ESA）
地球上的磁重聯(lián)主要由太陽(yáng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)，磁層內(nèi)主要為氫離子，而巨行星（如木星和本次研究的土星）的磁層內(nèi)部的磁重聯(lián)受自身快速自轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)，它們的磁層巨大且轉(zhuǎn)動(dòng)很快，自轉(zhuǎn)頻率是地球的兩倍多，且磁層內(nèi)都有天然衛(wèi)星，會(huì)噴發(fā)二氧化硫或水，為磁層源源不斷地提供硫、氧等重離子。高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使得重離子束縛在赤道平面附近，形成一個(gè)類(lèi)似唱片的磁盤(pán)結(jié)構(gòu)。最終，離心力不穩(wěn)定性等非線(xiàn)性過(guò)程會(huì)在磁盤(pán)內(nèi)觸發(fā)磁重聯(lián)。
該研究工作發(fā)現(xiàn)了日側(cè)磁盤(pán)內(nèi)的磁重聯(lián)事件，為理解巨行星日側(cè)的能量爆發(fā)事件提供了新的窗口。磁重聯(lián)事件能夠向巨行星的極區(qū)電離層釋放大量能量，同時(shí)在磁層內(nèi)產(chǎn)生高于500keV的高能氧離子，這一系列物理過(guò)程是巨行星的極光亮斑以及X射線(xiàn)輻射重要的潛在產(chǎn)生機(jī)制（圖2）。同時(shí)，日側(cè)磁重聯(lián)還為土星磁層內(nèi)水與氧離子的逃逸及行星際內(nèi)物質(zhì)交換提供了新的途徑。
圖2 磁盤(pán)（紫色盤(pán)狀區(qū)域）內(nèi)磁重聯(lián)過(guò)程產(chǎn)生的高能粒子進(jìn)入土星極區(qū)激發(fā)極光亮斑（藝術(shù)圖）
以往科學(xué)家一直認(rèn)為巨行星的磁重聯(lián)也只能發(fā)生在磁層夜側(cè)的磁尾，在日側(cè)因?yàn)闀?huì)受到太陽(yáng)風(fēng)的抑制而很難發(fā)生，而此次觀測(cè)到發(fā)生在日側(cè)磁層內(nèi)的磁重聯(lián)，直接證實(shí)了巨行星的快速自轉(zhuǎn)能夠克服來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)的抑制效應(yīng)，這顛覆了此前對(duì)巨行星磁層的認(rèn)知。據(jù)推測(cè)，日側(cè)磁重聯(lián)現(xiàn)象也可能發(fā)生在天王星、海王星，以及快速自轉(zhuǎn)的系外行星上。
研究成果發(fā)表于Nature Astronomy。（Guo R L, Yao Z H, Wei Y, et al. Rotationally driven magnetic reconnection in Saturn's dayside[J]. Nature Astronomy, 2018. DOI: 10.1038/s41550-018-0461-9）（原文鏈接）
【媒體報(bào)道】
1.ESA新聞：Surprising magnetic reconnection spotted on saturn's dayside
2.倫敦大學(xué)學(xué)院，myScience：Magnetic field collisions around Saturn reveal planetary differences
3.列日大學(xué)：Cassini reveals magnetic reconnections driven by planetary rapid rotation on Saturn's dayside
4.Popular Science：Saturn's speedy rotation makes its daytime auroras possible
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