在宇宙中探索磁场

凌安

在过去几十年中，天文学家和地球物理学家从行星磁场研究中获益匪浅，并致力为其他天体绘制磁场分布图。这一领域的发展得益于从“旅行者”号探测到近期的火星大气层和挥发物演化任务（MAVEN）。

展望未来，这一研究领域将在太阳系甚至外星系的探索中发挥重要作用。美国航空航天局戈达德太空飞行中心的贾里德·埃斯普利在该局召开的“行星科学愿景2050年”发布会上介绍了这些目标，包括推进人类对宇宙的探索以及对地外生命的追求。

拿地球及其“兄弟行星”火星做例子。地球的磁场强度范围为25微米至65微米，这确保了地球表面可居住条件的存在。相比之下，如果火星上存在磁场，其表面就会存在更厚的大气层和液态水。

现在，科学家通过MAVEN和“火星环球勘测者”号提供的数据得知，火星磁场在大约42亿年前就已消失。在磁场消失后的5亿年中，它的大气层被缓慢地剥离，这使得它的表面成为我们今天看到的样子，成为一个寒冷而干燥的地方。

因此，测量行星磁场可能对天文学家和行星研究人员大有裨益。正如贾里德·埃斯普利通过电子邮件告诉“今日宇宙”的：“直接测量太阳系各处的磁场分布，可以告诉我们这些行星体系如何运作。一般来说，我们可以了解行星的内部结构和组成，以及它们大气层中的带电气体如何移动，如何变化。例如，我们可以探究欧罗巴是否有地下海洋，木星的内部结构是怎样的，以及火星是否因太阳风侵蚀而失去大气层。”

作为戈达德太空飞行中心太阳系探测部（SSED）的研究助理，贾里德·埃斯普利精通火星诱导磁层及空间等离子体的物理学，并熟知相关研究领域的发展。正如他在“行星科学愿景2050年”发布会上介绍的那样，他们在这个研究领域有几个课题有待深入。

地下探测

当对火星进行探索时，使用磁力计有助于科学家确定其地下结构和组成。现在，使用“洞察”号着陆器的内部勘探任务计划于2018年发射，旨在提供有关火星的地震、温度及其形成历史的信息。此外，它们可被用来定位含水层，这可以帮助科学家寻找火星上的生命，识别人类殖民所需的资源。

相似的任务也可以在金星和水星上开展，从而揭示太阳系中所有岩质行星是如何形成的，它们有什么共同之处，以及是什么使它们分开的。

空中地磁调查

通过将磁力计放置在类似滑翔机或气球的高空平台上，可以进行行星表面详细的地球物理学表征的探索。通过研究一些改变地壳磁化强度的事件，如火山活動、板块构造、撞击坑等，来探索地球的地理历史。

在地球上，这种调查常被用于观察近地面材料的特征及矿物勘探。但在其他行星和卫星上（尤其是像木卫二、木卫三、土卫二和土卫六这样的卫星），它们可以帮助揭示一些更深层次的奥秘，比如是否可以孕育生命。

目前，计划中的探索任务包括原位空中飞行器和机载侦察、“泰坦空中女儿”探测器和“蜻蜓”等。此外，科学家还设计建造了火星直升机，这是一种使用两个同轴的反向旋转探测器来探索火星大气层的装置，预计作为“火星2020”任务的一部分发射。

行星磁场

磁力计也可用于帮助解决磁层研究中的一些长久以来未解决的奥秘。例如，行星磁球是高度动态变化的，并且很难区分时间依赖性或空间依赖性的现象，即磁重新连接、逃逸大气等离子体结构和等离子体波。

通过部署装备有磁力计和等离子体光谱仪阵列的微小卫星等多个航天器，可以更全面地解决行星磁畴的工作原理。科学家围绕地球进行了一系列任务，包括测量地球的磁场以及测量太阳风与地球磁层之间的相互作用等。

此外，科学家对其他行星展开了类似的探索。比如，三轴磁通门磁强计是“水手2”号、“水手10”号（探测了维纳斯和水星）以及探索水星的“信使”号的一部分，双重技术磁力计是“惠更斯”号的一部分。

冰球巨人

我们已经知道，海王星和天王星具有强大而独特的磁场分布，它们有着相对其旋转轴线大角度倾斜的偶极子。然而，目前该领域的研究尚存空白，并未确定导致此情况产生的原因。因此，在海王星和天王星上使用磁力计探测和测量具有重大的科学价值。

海洋世界

在未来几十年，对木卫二、土卫二和土卫六等卫星的研究可能是一项重大任务。事实上，这也是“行星科学愿景2050年”研讨会的主题。这些任务将致力在太阳系中寻找地球外的生命，并更多地了解其形成。

正如贾里德·埃斯普利所说，磁力计可以在这些任务中发挥关键的作用。任务初期，他们将用磁力计来测量这些卫星可能存在的、位于地下海洋的潜在居住地的深度和位置。此外，利用磁力计可以帮助我们了解这些卫星的磁场特征，这具有非常巨大的科学价值。

贾里德·埃斯普利说：“我们用于测量空间磁场的磁力计相对强大、便宜、可靠，特别是全面考虑了我们可以解决的各种科学问题。在之后的探测任务中，所有可容纳磁力计的太阳系任务探测器都应配置它。更好地了解太阳系中的行星是如何运行的，对我们建立其他恒星系统的模型至关重要。”

要想能够直接研究其他系外行星的磁场分布，肯定还有很长的路要走。但是在很久以前，我们就已经可以安装磁力计设备到其他行星系统并仔细检查。对行星磁场的研究可以帮助我们确定在近年来我们发现的许多系外行星中，哪些具备适宜生命生存的环境。