實驗室模擬木星極光起源研究取得新進展

近日，中國科學院近代物理研究所原子物理中心科研人員與復旦大學合作，利用高電荷態六價的氧離子與氫氣，氦相互作用，開展電荷交換量子態選擇測量，模擬木星極光起源研究獲得新進展，相關成果發表在美國天體物理雜志（Astrophysical Journal Supplement Series）上。

原子是由原子核和核外電子構成，當原子核外層的多個電子被剝離時就形成了高電荷態離子。它們廣泛存在于太陽風、星風以及超新星遺跡等高溫天體環境中，會俘獲星際介質中性原子分子的電子形成高激發態離子，即發生了電荷交換反應。近年來，天文學界認為電荷交換是宇宙軟X射線背景及極紫外光譜的重要機制之一，而高精度電荷交換原子數據對準確的天文建模非常關鍵。

據了解，天文學家們關注的木星大氣X射線和極紫外光譜是目前的焦點。在其衛星木衛一上，火山巖漿所噴射的氧、硫等高電荷態離子到達在木星的兩極，在木星磁層的作用下產生了極光。但是早期的研究只有理論計算數據可應用于對木星大氣光譜的建模，結果存在著較大的不確定性，從而導致對木星極光起源的機理認識存在偏差。

“解決這些問題的關鍵是要在實驗室開展高精度測量和模擬研究，這是當前原子物理和天文物理的新興交叉領域。雖然歐美等國家在這方面的研究起步早，但是大部分工作還是基于理論計算，我們研發的實驗裝置可謂恰逢其時，走在了國際研究的前列。”中國科學院近物所研究員張瑞田告訴《中國科學報》。

利用重離子加速器裝置，可以為團隊提供天文物理關心的高電荷態離子，模擬天體環境中發生的電荷交換過程。團隊成員、中國科學院近物所研究員張少鋒表示，采用自主研發的高分辨“動量成像”裝置，通過測量離子的飛行時間和位置，重建出電荷交換產物的量子態能級。這也是原子物理領域近30年發展一個全新的技術，使分辨能力發展到國際領先的地步。

中國科學院近物所副研究員高永補充道：“這次實驗測量中，我們還發現了相當的雙激發態貢獻，在早期的實驗研究中鮮有報道。這些雙激發態輻射處于極紫外光譜波段而且范圍較窄，為未來木星極紫外光譜的測量和建模提供了指引。” 

高電荷態離子是宇宙線重離子的重要組成部分，具有極強的化學活性，穿透能力強，因此，是宇宙中星云及行星大氣中分子化學反應的能量注入引擎，也是星際復雜分子形成的“催化劑”。

近物所原子物理中心主任、研究員馬新文表示: “實驗室研究離子與原子分子的碰撞反應，不僅為我們認識各種天體環境的物理化學性質、空間天氣、獲得關鍵原子參數提供了一個理想的平臺，也對認識宇宙早期簡單分子到生命起源相關復雜有機分子的演化具有重要的價值。下一步，團隊將進一步與國內外的天文界建立密切合作的關系，架起重離子加速器地面模擬與天文觀測建模之間的橋梁，揭示天文觀測的奧秘。”

  實驗測量所得電荷交換量子態選擇分布。近物所供圖