科学家发现土星磁层新重联区揭示行星快速旋转可导致日侧磁重联

行星的内禀磁场延伸至行星临近空间，影响周围的等离子体环境形成磁层，保护行星免受来自太阳的粒子——太阳风的干扰。当磁层与剧烈变化的太阳风相互作用，例如太阳耀斑爆发时，磁层顶部的磁力线会与太阳风携带的磁力线重联（点击观看NASA的磁重联动画）。磁重联过程可以改变磁场的拓扑形态，释放磁场能量，使得等离子体能量急剧升高，并产生高速的粒子喷流，从而使行星磁层变得不稳定，触发磁层亚暴以及磁暴，导致极光等现象的爆发。在地球上，这一过程会影响人造卫星的正常运转，对其造成损害，严重的磁暴甚至可以直接使得地面的电力输运系统瘫痪。

磁重联是太阳风和行星磁层顶磁场相联并交换物质的关键过程，同时也是磁层内部磁能释放的重要机制。在面向太阳一侧（日侧），磁层受到太阳风的冲击，粒子和能量主要通过磁层顶磁重联进入磁层，但磁层顶以外的日侧磁层区域内的磁场形态无法满足磁重联的触发条件。在磁层内，磁重联只能够发生在背向太阳一侧（夜侧）的磁尾，磁尾是地球磁层剧烈活动的始发地。

一直以来，科学家们认为其他具有内禀磁场的行星的磁层动力学过程与地球的很相近。但是，中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室博士后郭瑞龙及合作导师魏勇与客座学者尧中华（比利时列日大学）主导的国际科研小组在研究卡西尼号飞船2008年的探测数据时，首次发现磁重联可以发生在日侧土星磁层内且远离磁层顶的区域（图1），同时卡西尼号还记录到了被磁重联过程加速的高能氧离子以及准周期性高能电子增强事件。

地球上的磁重联主要由太阳风驱动，磁层内主要为氢离子，而巨行星（如木星和本次研究的土星）的磁层内部的磁重联受自身快速自转的驱动，它们的磁层巨大且转动很快，自转频率是地球的两倍多，且磁层内都有天然卫星，会喷发二氧化硫或水，为磁层源源不断地提供硫、氧等重离子。高速旋转产生的离心力使得重离子束缚在赤道平面附近，形成一个类似唱片的磁盘结构。最终，离心力不稳定性等非线性过程会在磁盘内触发磁重联。

该研究工作发现了日侧磁盘内的磁重联事件，为理解巨行星日侧的能量爆发事件提供了新的窗口。磁重联事件能够向巨行星的极区电离层释放大量能量，同时在磁层内产生高于500keV的高能氧离子，这一系列物理过程是巨行星的极光亮斑以及X射线辐射重要的潜在产生机制（图2）。同时，日侧磁重联还为土星磁层内水与氧离子的逃逸及行星际内物质交换提供了新的途径。

以往科学家一直认为巨行星的磁重联也只能发生在磁层夜侧的磁尾，在日侧因为会受到太阳风的抑制而很难发生，而此次观测到发生在日侧磁层内的磁重联，直接证实了巨行星的快速自转能够克服来自太阳风的抑制效应，这颠覆了此前对巨行星磁层的认知。据推测，日侧磁重联现象也可能发生在天王星、海王星，以及快速自转的系外行星上。

研究成果发表于《自然-天文学》（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）。

 

图1 卡西尼号飞船在土星日侧磁层内部观测到磁重联过程（示意图）（图片来源：ESA）

 

图2 磁盘（紫色盘状区域）内磁重联过程产生的高能粒子进入土星极区激发极光亮斑（艺术图）