实验室模拟木星极光起源研究取得新进展

近日，中国科学院近代物理研究所原子物理中心科研人员与复旦大学合作，利用高电荷态六价的氧离子与氢气，氦相互作用，开展电荷交换量子态选择测量，模拟木星极光起源研究获得新进展，相关成果发表在美国天体物理杂志（Astrophysical Journal Supplement Series）上。

原子是由原子核和核外电子构成，当原子核外层的多个电子被剥离时就形成了高电荷态离子。它们广泛存在于太阳风、星风以及超新星遗迹等高温天体环境中，会俘获星际介质中性原子分子的电子形成高激发态离子，即发生了电荷交换反应。近年来，天文学界认为电荷交换是宇宙软X射线背景及极紫外光谱的重要机制之一，而高精度电荷交换原子数据对准确的天文建模非常关键。

据了解，天文学家们关注的木星大气X射线和极紫外光谱是目前的焦点。在其卫星木卫一上，火山岩浆所喷射的氧、硫等高电荷态离子到达在木星的两极，在木星磁层的作用下产生了极光。但是早期的研究只有理论计算数据可应用于对木星大气光谱的建模，结果存在着较大的不确定性，从而导致对木星极光起源的机理认识存在偏差。

“解决这些问题的关键是要在实验室开展高精度测量和模拟研究，这是当前原子物理和天文物理的新兴交叉领域。虽然欧美等国家在这方面的研究起步早，但是大部分工作还是基于理论计算，我们研发的实验装置可谓恰逢其时，走在了国际研究的前列。”中国科学院近物所研究员张瑞田告诉《中国科学报》。

利用重离子加速器装置，可以为团队提供天文物理关心的高电荷态离子，模拟天体环境中发生的电荷交换过程。团队成员、中国科学院近物所研究员张少锋表示，采用自主研发的高分辨“动量成像”装置，通过测量离子的飞行时间和位置，重建出电荷交换产物的量子态能级。这也是原子物理领域近30年发展一个全新的技术，使分辨能力发展到国际领先的地步。

中国科学院近物所副研究员高永补充道：“这次实验测量中，我们还发现了相当的双激发态贡献，在早期的实验研究中鲜有报道。这些双激发态辐射处于极紫外光谱波段而且范围较窄，为未来木星极紫外光谱的测量和建模提供了指引。”

高电荷态离子是宇宙线重离子的重要组成部分，具有极强的化学活性，穿透能力强，因此，是宇宙中星云及行星大气中分子化学反应的能量注入引擎，也是星际复杂分子形成的“催化剂”。

近物所原子物理中心主任、研究员马新文表示: “实验室研究离子与原子分子的碰撞反应，不仅为我们认识各种天体环境的物理化学性质、空间天气、获得关键原子参数提供了一个理想的平台，也对认识宇宙早期简单分子到生命起源相关复杂有机分子的演化具有重要的价值。下一步，团队将进一步与国内外的天文界建立密切合作的关系，架起重离子加速器地面模拟与天文观测建模之间的桥梁，揭示天文观测的奥秘。”

实验测量所得电荷交换量子态选择分布。近物所供图