太空奥秘：所有行星都有磁场吗？

魏洋1

在地球的白天，磁重联将来自太阳的物质和能量输送到地球的磁环境中。（图片来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）

据美国太空网（Conor Feehly）：地球的一个决定性特征是它的磁场。它形成了一个保护罩，可以抵御太阳喷出的高能粒子，因此可以说为生命提供了一个更安全的地方，让它们成长为我们今天看到的复杂的生物阵列。

地球磁场最令人震惊的迹象是极光，在太阳活动频繁的时候，极光是出现在北极和南极附近的彩色光幕。地球有磁场的另一个迹象是，无论你在地球上的哪个地方，指南针都指向北方。

但是，我们如何判断太阳系中的其他行星或天体是否有磁场？有可能知道遥远的系外行星是否有磁场吗？

我们知道，太阳系的气态巨星（木星和土星）和冰巨星（天王星和海王星）具有强大的内部磁场。然而，亚利桑那州立大学的行星科学家Joseph G.O'Rourke表示，对于类地行星和卫星来说，这有点复杂。

今天，地球、水星和木星的卫星木卫三都有内部产生的磁场。O’Rourke说，火星和地球的月球都有古老的地壳岩石，它们保存着早期存在的磁场的磁化残余。

至于地球的另一个邻居，他补充道：“在金星上没有检测到固有磁性，但我们还没有提供足够靠近地表的仪器来寻找磁化地壳。”。

为了使磁场存在于行星或月球上，必须有大量的导电液体在其内部运动。O’Rourke说，如果这些材料停止移动，或者如果材料的加热和冷却之间没有足够的温差来驱动行星或月球内部的流体对流，那么物体可能会失去磁场，在这种情况下，流体移动会太慢。

根据O’Rourke的说法，在金星明显缺乏磁层的情况下，有四种可能性。

普遍接受的观点是，金星有一个类似地球的核心，冷却速度太慢。由于金星缺乏板块构造，其内部的冷却速度可能比地球慢。



一幅插图显示了日冕物质抛射从太阳爆发，然后撞击地球的磁层。（图片来源：欧空局/美国国家航空航天局-SOHO/LASCO/EIT）

然而，另一种可能性是金星的内部是完全固体的。这将要求行星的核心比地球的温度低得多，而O’Rourke认为这是不可能的。美国国家航空航天局计划于2031年执行的金星发射率、无线电科学、InSAR、地形和光谱学任务，以及欧洲航天局的EnVision任务，都将试图弄清楚金星的核心是否至少部分是液态的。

或者，金星可能缺乏内核。地球的内核有助于产生地球的磁场。当它结晶时，它会排出杂质（比铁轻的元素），从而产生化学浮力，推动流体运动。也许金星还没有形成内核，所以它缺少了额外的能量来源。

O’Rourke说，第四种可能性是金星的核心可能是化学分层的。形成月球的撞击可能搅动了古代地核，使其在开始冷却时产生磁场。然而，金星没有卫星，这可能意味着没有任何东西混淆了它的核心。

确定太阳系中的天体是否有磁场的最佳方法是让航天器前往该天体，用磁力计测量磁场强度。然而，早在20世纪50年代，科学家们就能够通过采集木星极光的无线电发射来远程探测木星的磁场。

奥说，磁场是了解行星内部的最好方法之一。强磁场的存在告诉科学家，这颗行星有一个巨大的导电流体库，可以四处移动。

O’Rouke解释道：“发电机是流体运动的能量转化为磁场的过程。”。“在类地行星中，金属核可以容纳发电机，就像今天的地球一样。然而，液态硅酸盐（基本上是熔融岩石）在极端的压力和温度下也具有导电性。氢在木星和土星等气态巨星的内部深处变成金属，这使它们能够产生强大的磁场。”

有没有系外行星有磁场？

当谈到系外行星——太阳系外的行星——行星科学家还没有明确地检测到磁场的存在。然而，O’Rourke认为我们离得不远了。天文学家已经在被称为棕矮星和低质量M矮星的小恒星中探测到了由磁场产生的极光。

O’Rourke说：“我猜下一代仪器将能够探测到类木星系外行星的磁场。”。“对类地行星磁场的探测在更遥远的地平线上，但有望在未来几十年内实现。一般来说，我们可以直接（例如通过观测极光或辐射带）或间接（例如通过观察行星磁场与其母恒星的相互作用）探测系外行星磁场。”

行星科学家目前正在争论磁场是否能全面保护行星大气层。一方面，磁场可以保护大气层免受恒星风的影响，尤其是在磁赤道附近。O’Rourke解释说，另一方面，磁场可以将带电粒子引导到极地，许多有助于大气逃逸的机制不受磁场的强烈影响。

奥说：“数十亿年来，地球一直保持着磁场和宜居表面。”。“当磁场消失时，火星的大部分水大致流失到了太空。金星，地狱般的世界，缺乏磁场。在我们的太阳系中，磁性与宜居性有关。然而，相关性并不是因果关系。”

随着我们通过詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测获得更大的系外行星样本量，行星科学家将开始揭示磁场与行星宜居性之间的关系。极光可能是我们应该更仔细地寻找生命迹象的首批指标之一。