月球代表的是一類無氣體天體。早期研究認為，月球的空間環境相對簡單，來自太陽的太陽風可毫無障礙地轟擊向陽面月表，并在背陽面留下一個低密度、低壓強的月球尾迹。然而，最近探測結果表明，月球雖無全球性的偶極場，但有廣泛分布的月殼剩磁，稱磁異常。一些磁異常的強度可達上百nT，可造成太陽風減速和偏轉，從而降低達到月面的太陽風通量，換句話說，就是保護了月面。這種磁場保護結構在一定程度上類似地球磁層，且尺度小，稱微磁層。微磁層代表太陽系中最小的磁層結構，對于它的研究有助于探究太陽風與小尺度磁場的相互作用。此外，微磁層也可為月面探測活動提供相對安全的空間環境，對我國未來建立月球科研站具有重要意義。

微磁層包含激波、磁鞘區及中心密度空腔結構。目前，有關月球微磁層的觀測均隻看到密度和磁場的增強，并未看到中心密度空腔。這些觀測似乎隻看到激波或磁鞘區，而沒有看到微磁層内部。抑或是月球微磁層可能并不能完全形成，即根本沒有密度空腔。另外，以往觀測均隻是單點觀測，微磁層的全局圖像仍不清楚。微磁層如何形成以及微磁層的大尺度結構，有待更多觀測數據來闡釋。

嫦娥四号是人類首個着陸在月球背面的探測器，其着陸點位于月球最大磁異常區——雨海對趾區的東部邊緣，這為在月面就位探測微磁層提供了機會。利用嫦娥四号巡視器搭載的中性原子探測儀（ASAN）數據，中國科學院國家空間中心太陽活動與空間天氣重點實驗室副研究員謝良海、研究員李磊/張愛兵等發現，微磁層的形成與離子慣性長度相關，即離子慣性長度越小，越有利于微磁層形成，相應的遮擋效率也越高。近日，科研人員利用ASAN數據找到了一次難得的事件。事件中太陽風離子慣性長度隻有50 公裡左右（低于98%以上的太陽風），理論上最有利于形成微磁層。同時，美國阿爾忒彌斯計劃（ARTEMIS）已在月球軌道的兩顆衛星，有一顆（P1）位于磁異常上遊，另一顆（P2）位于磁異常下遊，并結合位于月面磁異常附近的ASAN數據，可實現微磁層的首次多點觀測（圖1）。借助該多點觀測，研究有望揭示微磁層的全局圖像，并有望利用ASAN數據來檢驗微磁層内部是否存在密度空腔。

研究分析數據發現，ARTEMIS衛星在磁異常下遊看到明顯的激波結構，這與離子慣性長度小有利于形成微磁層的預期一緻。而研究分析ASAN數據發現，約2/3的太陽風被磁異常擋住，但1/3的太陽風穿過磁異常并達到月面。此外，在穿越磁異常的過程中太陽風的能量從492eV降到325eV（圖2）。結果表明，即使在最有利于形成微磁層的情況下，磁異常仍不能完全屏蔽太陽風（穿透率1/3），且太陽風的速度也未降到0。因此，中心密度空腔區是不存在的，磁異常對太陽風的主要作用是偏轉和減速，從而造成月面法向太陽風通量降低，在一定程度上保護了月面。

基于以上觀測證據，研究提出了太陽風與磁異常相互作用的新圖像。如圖3所示，磁異常區包含多個分離的小尺度（特征寬度為幾十公裡）子磁場結構，單個子磁場對太陽風隻能造成微弱的偏轉和減速作用，相應的會産生磁聲波和壓縮區，但并不能形成激波。多個子磁場結構的共同作用使得太陽風偏轉得越來越明顯，最終可以平行月面甚至反向朝上流動。這些子磁場結構帶來的壓縮區會相互疊加形成類似邊界層一樣的結構。此外，反向朝上的流動與高超聲速的來流相互作用，最終在磁異常下遊形成尾激波結構（Trailing shock）。

該研究表明，月球微磁層不同于一般意義上的磁層，在它的中心磁場區沒有密度空腔，隻有太陽風偏轉帶來的邊界層。此外，在磁異常上遊也可能沒有分離的弓激波，而隻有下遊的尾激波。這提高了科學家對太陽風與月球磁異常相互作用的認識，并為後續進一步探索月球微磁層及實施相關探測任務奠定了基礎。相關研究成果發表在 The Astrophysical Journal Letters 上。

圖1.嫦娥四号聯合ARTEMIS兩顆衛星首次實現微磁層的多點觀測

圖2.嫦娥四号ASAN探測器看到的ENA能譜，其中Case1位于磁異常下遊，Case2和Case3位于磁異常上遊，用于分析磁異常對太陽風的減速和偏轉作用

圖3.太陽風與月面磁異常相互作用示意圖

來源：中國科學院國家空間中心

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