澳科大徐曉軍團隊「火星電離層物質拋射」登《自然•天文學》

2024年4月22日，由澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室徐曉軍副教授帶領包含中國大陸、澳門和台灣地區的研究團隊在Nature Astronomy《自然•天文學》發表題為《In situ observation of mass ejections caused by magnetic reconnections in the ionosphere of Mars》（《火星電離層磁重聯引起的物質拋射的原位觀測》）的論文，首次提出並證實了普遍存在於恒星上的爆發性物質拋射現象也可以發生在磁化的行星上。論文的第一作者為葉煜東博士（原為澳科大博士後），通訊作者為徐曉軍副教授和李羅權特聘教授，澳科大為論文的第一單位。

葉煜東博士

在太陽和其他恒星上，由磁場活動（如磁重聯）引發的爆發性日冕物質拋射（Coronal Mass Ejection, CME）是一種常見現象（如圖1所示）。然而，這種爆發性現象是否能在帶有大氣層的磁化或部分磁化的行星上發生，尚未有定論。這項研究通過分析火星大氣和揮發分演化任務（即MAVEN衛星）的數據，揭示了火星電離層中由於地殼磁場區域之間的磁重聯而引發的爆發性物質拋射事件。這一發現為我們理解行星大氣層的磁場活動提供了新的視角。

該研究團隊指出，火星的岩石磁場（也稱作剩餘磁場）很強，能夠向上延伸至電離層中。因此，火星電離層中的磁場拓撲結構非常複雜，與太陽日冕的情況相似。此前的研究已經表明，磁重聯現象在火星電離層中廣泛存在。那麼，是否存在和日冕物質拋射類似的電離層物質拋射（Ionospheric Mass Ejection, IME）現象？

由於火星電離層的等離子體密度較低，拋射出來的物質無法通過散射太陽光形成一個明亮的泡泡，因此，需要通過其他手段來確認電離層物質拋射現象的存在。2019年，徐曉軍副教授的一項研究發現，在低等離子體β值（等離子體的熱壓與磁壓之比）條件下，帶電粒子無法橫越磁力線快速填充等離子體中的密度空腔。在火星電離層強剩餘磁場區域，等離子體β值可以非常低。因此，火星電離層物質拋射後留下來的伴隨磁重聯特徵的密度空腔，可以作為證認火星電離層物質拋射的直接證據。

火星表面剩餘磁場的多極子結構特徵，使得太陽風磁場很容易和火星電離層中的剩餘磁場發生磁重聯，打開閉合的剩餘磁場，形成開放的磁力線。當這些開放的磁力線恢復為閉合的磁力線，完成一個循環時，方向相反的開放磁力線之間發生的磁重聯能將大量電離層物質直接拋射進入太空，形成電離層物質拋射現象，並在電離層中形成一個無法被快速填充的等離子空腔，如圖2所示。

研究團隊利用MAVEN衛星在火星觀測到電離層物質拋射後留下的密度空腔。火星強剩餘磁場之間的開放磁力線重聯導致了電離層物質拋射。

研究結果表明，這些物質拋射事件可能對火星大氣層的長期演化產生重要影響。通過對MAVEN數據的分析，該研究團隊估算出每個火星日可能發生3次電離層物質拋射事件，這些事件在火星歷史上可能導致大量的水以離子形態逃逸。該研究團隊還特別指出，火星以爆發性的電離層物質拋射和準穩態的原子和離子逃逸方式損失大氣質量，竟然和太陽以爆發性的日冕物質拋射和準穩態的太陽風損失質量的方式令人震驚的相似。

這項研究不僅為我們提供了關於火星大氣層演化的新見解，還能對理解其他行星和恒星大氣層中類似現象的機制產生深遠影響。隨著未來火星探測任務的深入，我們對這顆紅色星球的認識將越來越深入。以上研究成果得到了國家自然科學基金（42122061，42241112）和澳門科學技術發展基金（0098/2022/A2，0003/2022/AFJ）的資助。

近年來，徐曉軍副教授團隊在月球、金星和火星空間環境研究領域取得了一系列優秀的科研成果，發表了眾多高水平論文。徐曉軍副教授於2021年獲得了國家自然科學基金優秀青年基金項目資助。

參考文獻：

1. Yudong Ye, Xiaojun Xu* et al., In situ observation of mass ejections caused by magnetic reconnections in the ionosphere of Mars, Nature Astronomy, 2024. https://www.nature.com/articles/s41550-024-02254-3

2. Xiaojun Xu*, et al., ARTEMIS Observations of Well-structured Lunar Wake in Subsonic Plasma Flow, Astrophys. J., 881, 76, 2019.