近日，山东大学“太阳爆发及其对行星空间环境的影响”攀登计划创新团队在土星千米波辐射机制研究方面取得新进展，成果以“Excitation of extraordinary modes inside the source of Saturn's kilometric radiation”为题被Astronomy&Astrophysics期刊接受发表。山东大学前沿交叉科学青岛研究院空间天文物理融合研究中心博士后宁昊为第一作者，空间科学研究院陈耀教授为通讯作者。
土星是太阳系内的第二大行星，也是重要的射电辐射源。在多种土星射电辐射现象中，最常见的一类是千米辐射波。此类辐射常伴随土星极光现象出现，与地球上的极光千米波辐射非常相似，相关研究对于认识土星极光和磁层物理过程具有重要意义。
图1左图：哈勃太空望远镜拍摄的土星极光照片（图片来源：NASA, ESA, J. Clarke and Z. Levay）。
右图：Cassini观测到的土星千米波辐射（Lamy et al. 2018）。
对射电辐射源区的就地探测可帮助我们认识辐射产生机制。1997年，以美国宇航局、欧洲航天局和意大利航天局为主，由十七个国家合作参与的卡西尼—惠更斯（Cassini-Huygens）号土星探测器成功发射。2008年以来，Cassini卫星多次穿越了土星千米波辐射源，获得了重要的源区数据。分析表明，其源区内的电子包含两部分，由大致符合麦氏分布的低能背景电子和类似壳状分布的高能电子组成，其中高能电子数占总电子的比例为20—24%；源区内观测到的辐射主要在电子回旋频率附近，沿垂直磁场方向传播，且偏振性质以异常模（X模）为主。基于数据分析结果，通常认为可基于以往基于回旋脉泽辐射机制所发展的模型予以解释。
然而，以往此类模型多假设源区内高能电子占主导，且采用了过度简化的色散关系来计算不同波模增长率，未考虑不同的高能电子丰度引起的色散关系变化，部分研究中甚至直接采用了真空电磁波的色散关系。团队发现，上述假设与基于Cassini探测数据所得分析结果明显不符，需要开展新的辐射机理方面的研究，特别是要考虑背景电子与高能电子的占比份额相当的情况。
为此，本工作开展了线性理论分析和粒子模拟研究，考虑了高能电子占比对波模色散关系和回旋脉泽不稳定性增长率及非线性演化的影响。根据线性理论，当同时存在占比相当的两种电子时，波模的色散关系和所激发的主导模式会发生显著变化。结果表明，在高能电子占比小于90%时，在电子回旋频率附近会出现一新的相对论模式（therelativistic mode,简称R模），且成为系统所激发的主要波模，而可以逃逸的X模辐射却无法增长。研究还发现：仅当高能电子占比超过90%时，X模辐射才能被有效激发。
图2高能电子丰度不同的条件下，PIC模拟得到的色散关系结果。其中ne/n0代表高能电子占总电子的密度比。
针对土星千米波辐射现象，该工作发展了电子回旋脉泽不稳定性理论，也在如何理解土星千米波辐射机制方面提出了新的问题。根据卡西尼号探测数据分析，辐射源区的高能电子仅占20%左右，则根据我们研究此时无法激发相应千米波辐射，这就导致了辐射机制和源区探测数据间的矛盾。团队提出两种可能以理解这一矛盾：一、R模与X模性质极为相似，故无法确定Cassini探测到的波动是可逃逸辐射还是R模；二、卡西尼卫星探测时间分辨率长达几分钟，而回旋脉泽辐射过程则在通常小于1毫秒的时间内发生，故探测数据所得电子并非对应于激发辐射的电子，而是在相应时间内的平均结果。目前还难以判断哪种可能性更符合实际，期待将来的土星探测计划及更多理论及数值模拟方面的研究最终可以解决该问题。
该工作由山东大学、南方科技大学以及俄罗斯伊尔库茨克日地物理研究所研究人员共同完成，研究受国家自然科学基金项目和中国博士后科学基金会等资助。论文链接：https://doi.org/10.1051/0004-6361/202347149
