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宇宙空间斑马条纹 精选

已有 5434 次阅读 2020-5-25 19:06 |系统分类:科普集锦


宇宙空间斑马条纹

    宇宙空间中,存在一种“看似神秘、的确神秘”、按一定规则、整齐排布的多条纹射电频谱结构,源自太阳、木星、土星、地球,乃至蟹状星云等天体的辐射。

最先是在太阳爆发射电数据中探测到的。因形似斑马条纹,故将之命名为斑马纹。这里,为统一起见,将该命名非正式扩展至那些类似的多条带辐射或波动频谱结构。

先展示系列经典的太阳射电斑马条纹:

为比较,上图右上角还展示了一匹斑马的靓照!可见,多纹曲延并行、又如爆竹烟花,甚是惊艳。下面一组图是由我国国家天文台怀柔太阳射电观测站测得的,上图右上方太阳图像由SDO-SOHO卫星数据制成;上方中图为在米波段观测到的斑马纹(Zlotnik et al. 2003 A&A)。

太阳系八大行星中有六颗具全球内禀磁场,包括水星、地球、木星、土星、天王星和海王星。相关行星的内禀磁场均可延伸至行星空间,在与太阳风作用下发展出可囊括整个星球的磁层结构。

主要根据旅行者1号和2号等卫星数据,发现除水星以外的其它“磁星”均可发出概貌相似的射电辐射。水星离太阳最近,探测难度较大,若存在相应辐射的话,强度也可能较弱,故(据作者了解)尚未有水星磁层射电辐射的探测数据。

依辐射强度排序,木星高居榜首,比其它行星射电辐射强得多,土星次之,地球再次。下面展示在木星十米和千米波辐射中的多带条纹结构(Litvinenko et al. 2016 IcarusZlotnik et al. 2016 JGR),与太阳射电斑马条纹的确神似。

 

   

左上图是哈勃望远镜于2019627日拍摄到的木星照片,左下为乌克兰太阳射电望远镜记录到的木星十米波斑马纹;右侧为卡西尼飞船在20001021日记录到的射电辐射。

下图展示了旅行者1号于1980年及Cassini飞船于2004-2005年间记录到的土星射电辐射(Kurth and Zarka 2001; Gurnett et al. 2005 Science)。根据左下和右上两图,可以观察到多条几乎平行的窄带辐射结构,虽不似上面展示的太阳和木星射电辐射中的那种曲延形态,但多带并行这一基本特征是显而易见的。

 

   

注意,右下一图并非射电辐射,而是一种被称为静电电子回旋谐波(ECH)的等离子体波动,同样具有明显的多带结构,其频率低于相应射电辐射的频率(Menietti et al. 2008 JGR)。这说明这类多条纹存在于更广的频率范围中。

射电辐射是可以在自由空间中传播的电磁波模。其频率须高于相应的等离子体特征频率(称为截止频率,如等离子体振荡频率),可以近光速传离源区而被探测到,称之为可逃逸波模(escaping modes);而频率更低的其它波模(如ECH),无法逃离而困于源区附近,称为束缚模式(trapped modes)。后者只能在其激发源区附近被飞船上的波场分析仪探测到。

以上观测说明等离子体波场的多带特征是普遍存在的。确实,在木卫三(Ganymede)附近也探测到了。木卫三是太阳系百余颗卫星中最大的一颗,也是迄今发现的唯一具全球内禀磁场与磁层的卫星。下图展示了伽利略飞船于1996年拍到的木卫三本尊及相应的等离子体波场频谱数据,其中的带状结构清晰可见(Kurth et al. 1997 GRL)。

 

        在对地探测数据中,这种频域中的多带波场特征更是司空见惯,如下图,是Van Allen Probe探测到的非常明显的多谐次ECH(静电电子回旋谐波)特征(Kurth et al. 2014 JGR),各支的频率间隔大概在电子回旋频率附近。

 

在地球磁层中除了观测到上述以电子回旋频率为间隔的多带结构外,还观测到以质子回旋频率(相同磁场强度下,是电子回旋频率的1/1836)为间隔的带状结构,这些结构被称为磁声波,如下图(左),下图右是根据线性理论计算所得到的这种波模的增长率,发现增长率随频率的分布呈现多峰结构,峰值均出现在相应整数谐次附近,与观测到的条带结构相当好地吻合(Balikhin et al. 2015 NC)。

 

Figure6_magnetosonic_waves.png

一条条纹带、整齐划一!难以想象这是浑然天成的宇宙空间之杰作!如何简单地理解呢?本报告不拟深入每种现象、天体的物理细节,那是浩繁的文献查阅和烧脑工作,仅从表面帮助大家理解。好在作者前面几篇博文中已经做了充分铺垫,解释清楚了波粒相互作用的共振条件,直接抄来吧

w - kzvz = nwc = nwc0/γ

该条件同样是理解这些条纹现象的关键所在,其中的整数“n”更是关键之关键。等离子体中波大都是空间中具有某种不稳定分布的高能量粒子激发的,可以是电子(wc取电子回旋频率),也可以是质子(wc取质子回旋频率)。只有满足共振条件的波模(由公式中的频率和平行波数kz数值确定)与相应粒子分布(可限定相应速度取值)间才会发生共振作用,导致波的线性增长。理论上,“n”可从负无穷变至正无穷,但实际上由于波传播频带范围及粒子分布情况的限制,有效的“n”仅分布于一定区间内。在该区间内,对于一套已经满足共振条件、导致波较大增长的参数,若“n”和w/wc同步加或减1,则所得参数很可能还可以满足共振条件,只是所激发的波频跳变了wc。这便是对上述带状结构及频距的简单理解。

对于多条纹波的激发,还存在一限定条件,要求粒子回旋频率低于相应的等离子体振荡频率(wc < wp)。以电子为例,若wc > wp,那么所激发的n=1模式的频率已经高于wpe,则n=2时,所得频率更是显著高于wpe。这时,由于电子运动难以跟上波场振荡,二者耦合效率大大降低,相应的增长率也会随n的增加快速下降。可以说,若波频远高于wpe,则波就会视等离子体如“无物”,逼近相应“真空”极限。

可能读者要问了:说好的蟹状星云脉冲星呢?下图给出哈勃望远镜拍到的蟹状星云多波段合成图像,其它图为该脉冲星射电辐射中间分量(interpulse)频谱数据所展示的完美条带,从5GHz一直到30GHz共计30条左右。这些条带有可能会延伸至更高频率,但应该是还没有相应观测数据。有趣的是,各频带间距随频率增加而线性增加,与前面所介绍的太阳和木星斑马纹性质类似。这颗脉冲星每33ms转一圈。据言,观测者观测了20余年,已转了很多很多圈,但上述特征没有发生明显变化!

这些辐射,从那遥远的地方历经6500年到达地球。与太阳和行星相比,辐射强度自然很弱,故需强大的射电望远镜,如孔径300米的阿雷西博(Arecibo)射电望远镜、我国的500FAST望远镜等,配以极高的ns-ms级频谱分辨力才能有效观测(Hankins et al. 2007; 2016)。

射电天文学的重要目的就是通过接收到的电磁波性质理解遥远天体的物理参数和过程。这些来自神秘天体脉冲星的信使到底携带着什么样的信息,要告诉我们什么道理,尚难以窥探。在发现这些条带特征的文章中,作者们用了这些词汇来描述他们的心情“we were astonished to find that …”“our result is especially surprising …”。更令人惊讶的是,目前为止,仅在这颗1054年大宋朝时期我国先人便有很好观测记录的超新星遗迹中发现了“斑马纹”带状结构。究竟是怎么回事,为什么这么特殊?难道“那边”也有类似于“这边”的等离子体磁场参数条件?也是wc < wp?的确有人这么想(Zheleznyakov et al. 2016)。

 

本人于2012年初开始在科学网上刊发博文,迄今近十年。之所以能坚持下来,与万卫星院士的积极倡导密不可分。大约在2013年前后的一次空间物理与空间天气学学科发展战略研讨会上,万院士发言提议大家在科学网上开博发文宣传学科,他应该是考虑到科学网的特殊读者群体可能会构成国家科技发展的部分主体,认为这样益于学科宣传与发展。期间,有几次我也想对万院士表达我的坚持受到他的倡导的直接影响。他的倡导使我从更高层面认识到这件事情的意义和价值,使我在“忙碌中”也能将写博视为需要承担的部分职责。万院士也多次来本单位访问参会,也作为“火星”探测首席专家考察了我们的火星环境模拟实验舱,鼓舞之大可想而知!更毋庸提及他在学科发展与提携晚辈方面的贡献和付出!

今日,万院士已离去5天了,其和善鼓励之音容笑貌犹存,也去网上查到他的视频于泪目中重温!仅以此文作为祭奠,聊表后学晚生的追思悼念!

 

 



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