月球代表的是一类无气体天体，早期人们认为月球的空间环境相对比较简单，来自太阳的太阳风可以毫无障碍地轰击向阳面月表，并在背阳面留下一个低密度、低压强的月球尾迹。然而，最近探测结果表明月球虽然没有全球性的偶极场，但是有广泛分布的月壳剩磁，称作磁异常。一些磁异常的强度可达上百nT，它们可以造成太阳风减速和偏转，从而降低达到月面的太阳风通量，换句话说就是保护了月面。这种磁场保护结构在一定程度上类似于地球磁层，由于尺度小，人们称之为微磁层。微磁层代表了太阳系中最小的磁层结构，它的研究有助于人们理解太阳风与小尺度磁场的相互作用。此外，微磁层也可为月面探测活动提供相对安全的空间环境，对我国未来月球科研站的建立具有重要意义。
严格来讲，微磁层应包含激波、磁鞘区以及中心密度空腔结构。但比较奇怪的是，目前所有有关月球微磁层的观测都只看到密度和磁场的增强，并没有看到所谓的中心密度空腔。这些观测似乎只看到激波或磁鞘区，而没有看到微磁层内部。还有一种可能就是月球微磁层可能并不能完全形成，即根本就没有密度空腔。另外，以往所有观测都只是单点观测，微磁层的全局图像是怎样的仍不清楚。总的来说，微磁层是如何形成以及微磁层的大尺度结构是怎样的都有待更多观测数据来揭晓答案。
嫦娥四号是人类首个着陆在月球背面的探测器，其着陆点刚好位于月球最大磁异常区—雨海对趾区的东部边缘，这为在月面就位探测微磁层提供了良好机会。利用嫦娥四号巡视器搭载的中性原子探测仪（ASAN）数据，中国科学院国家空间中心太阳活动与空间天气重点实验室的谢良海副研究员、李磊研究员和张爱兵研究员等人已经发现，微磁层的形成与离子惯性长度相关，即离子惯性长度越小，则越有利于微磁层形成，相应的遮挡效率也越高。最近，谢等人又利用ASAN数据找到了一次难得的事件，事件中太阳风离子惯性长度只有50 公里左右（低于98%以上的太阳风），理论上最有利于形成微磁层。同时，美国阿尔忒弥斯计划（ARTEMIS）已经在月球轨道的两颗卫星刚好有一颗（P1）位于磁异常上游，另一颗（P2）位于磁异常下游，再结合位于月面磁异常附近的ASAN数据，可实现微磁层的首次多点观测（如图1）。借助该多点观测，研究人员不仅有望揭晓微磁层的全局图像，同时也有望利用ASAN数据来检验微磁层内部是否存在密度空腔。
图1 嫦娥四号联合ARTEMIS两颗卫星首次实现微磁层的多点观测
通过分析数据研究人员发现，ARTEMIS卫星在磁异常下游看到了明显的激波结构，这与离子惯性长度小有利于形成微磁层的预期一致。然而，通过分析ASAN数据，谢等人发现大约有2/3的太阳风被磁异常挡住了，但仍然有1/3的太阳风穿过了磁异常并达到月面。此外，在穿越磁异常的过程中太阳风的能量从492eV降到了325eV（图2）。这些结果表明，即使在最有利于形成微磁层的情况下，磁异常仍然不能完全屏蔽太阳风（穿透率1/3），并且太阳风的速度也没有降到0。因此，所谓的中心密度空腔区是不存在的，磁异常对太阳风的主要作用是偏转和减速，从而造成月面法向太阳风通量降低，在一定程度上保护了月面。
图2 嫦娥四号ASAN探测器看到的ENA能谱，其中Case1位于磁异常下游，Case2和Case3位于磁异常上游，用于分析磁异常对太阳风的减速和偏转作用
基于以上观测证据，研究人员提出了太阳风与磁异常相互作用的新图像。如图3所示，磁异常区包含多个分离的小尺度（特征宽度为几十公里）子磁场结构，单个子磁场对太阳风只能造成微弱的偏转和减速作用，相应的会产生磁声波和压缩区，但并不能形成激波。多个子磁场结构的共同作用会让太阳风偏转得越来越明显，最终可以平行月面甚至反向朝上流动。这些子磁场结构带来的压缩区会相互叠加形成类似于边界层一样的结构。此外，反向朝上的流动与高超声速的来流相互作用，最终在磁异常下游形成尾激波结构（Trailing shock）。
图3 太阳风与月面磁异常相互作用示意图
这些研究结果表明，所谓的月球微磁层不同于一般意义上的磁层，在它的中心磁场区并没有密度空腔，而只有太阳风偏转带来的边界层。另外，在磁异常上游也可能没有分离的弓激波，而只有下游的尾激波。这些大大提高了人们对于太阳风与月球磁异常相互作用的认识，为后续进一步研究月球微磁层以及实施相关探测任务奠定了基础。该项研究成果发表于国际著名期刊The Astrophysical Journal Letters。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac903f
引用: Xie, L.*, Li, L., Zhang, A., et al. (2022). Multipoint Observation of the Solar Wind Interaction with Strong Lunar Magnetic Anomalies by ARTEMIS Spacecraft and Chang'E-4 Rover. The Astrophysical Journal Letters, 937:L5 (5pp). https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac903f.
（供稿：天气室）
