LaTeX
يمكن استخدام القياسات المغناطيسية المستمدة من بيانات مهمة جونو لفرض قيود على بنية باطن كوكب المشتري. ومع ذلك، فإن الاستنتاجات المتعلقة بعمق الباطن المستندة إلى فرضية غياب التوصيل الكهربائي وتمثيل المجال بالتوافقيات الكروية محدودة الدقة بسبب تضخّم الضوضاء عند المقاييس الصغيرة. في هذه الدراسة، نقدم إعادة بناء جديدة للمجال المغناطيسي الداخلي لكوكب المشتري استناداً إلى الشبكات العصبية المستندة إلى الفيزياء، باستخدام أول 33 مداراً (PINN33) أو أول 50 مداراً (PINN50) من مدارات مركبة جونو. تتيح هذه الطريقة استكشاف البنى المحلية مع السماح بوجود تيارات كهربائية ضعيفة ذات اتجاه محوري. مقارنةً بالأساليب التقليدية، نجد أن حقل جونو عند السطح وما فوقه يتوافق مع النتائج السابقة، مع تحقيق مطابقة مماثلة لبيانات المركبة. ومع ذلك، لا تعاني نماذجنا من تراكم الضوضاء تحت السطح، مما يوفر رؤية أوضح للتراكيب الداخلية. ونقدّر أن منطقة الدينامو تمتد حتى نصف قطر نسبي مقداره 0.8. عند هذا العمق، يظهر الحقل المغناطيسي أشرطة طولية واضحة، وتبدو البقعة الزرقاء الكبرى متجذرة ضمن بنى محلية متجاورة ذات تدفقات معاكسة للاتجاه.
تهدف مركبة جونو في المقام الأول إلى تعميق فهمنا لبنية باطن كوكب المشتري. إحدى طرق تحقيق ذلك تتمثل في إعادة بناء المجال المغناطيسي للمشتري انطلاقاً من قياسات المركبة، مما يساعد في استكشاف الطبقات الداخلية. من أهم المناطق التي نتطلع إلى دراستها هي منطقة الدينامو، حيث يتولد الحقل المغناطيسي للكوكب. تسمح الافتراضات التقليدية بغياب التوصيل الكهربائي واستخدام حلول المجال العام باستنتاجات مستقرة حول العمق الداخلي، إلا أن هذه المنهجية محدودة القدرة التصويرية بفعل تضخّم الضوضاء. في هذه الورقة، نقدم إعادة بناء مبنية على أحدث تقنيات التعلم الآلي مع تخفيف بعض القيود الفيزيائية والسماح بوجود بنى محلية. تظهر طريقتنا صورة أوضح لباطن كوكب المشتري مما كان متاحاً سابقاً.
لقد غيّرت مهمة جونو، التي أُطلقت في عام 2011 (Bolton_etal_2011)، فهمنا لباطن كوكب المشتري من خلال جمع قياسات الجاذبية والمجال المغناطيسي منذ وصولها للمدار في عام 2016. سمحت هذه البيانات الجديدة ليس فقط بوضع قيود على بنية الكثافة والتدفق الحلقي في الأجزاء الخارجية من الكوكب (Kaspi_etal_2018)، بل أيضاً بإعادة بناء دقيقة للحقل المغناطيسي بدقة غير مسبوقة (Connerney_etal_2017, Connerney_etal_2022). تُظهر هذه الخرائط المغناطيسية ميزات محلية مثل البقعة الزرقاء الكبرى، التي تقع ضمن حقل نصف كروي واسع النطاق (Moore_etal_2018) ويُظهر دلائل على تغيُّرٍ زمني (Ridley_Holme_2016, Moore_etal_2019, Sharan_etal_2022, Bloxham_etal_2022, Connerney_etal_2022).
لتحديد بنية الحقل المغناطيسي المتولد داخلياً في المشتري، يتطلب الأمر إعادة بناء شاملة تتوافق مع نموذج فيزيائي مبني على بيانات مغناطيسية متناثرة جُمعت على مسارات مدارية. يقوم النموذج الفيزيائي المعتمد على افتراض أن القيم المقاسة تصدر من منطقة خالية من التيارات الكهربائية، مؤلفة من إشارات يهيمن عليها الحقل الناتج داخلياً، مع مساهمات بسيطة من حقل خارجي وضوضاء الأجهزة. ثم يتم إزالة أثر الحقل الخارجي بصورة تقديرية عبر فرض نموذج قرص مغناطيسي، مع تقدير معاملات النموذج (connerney1981modeling, Connerney_etal_2022)، رغم أن التمثيل الدقيق يتعقد بفعل التغيرات الزمنية المحتملة غير المعروفة (Ridley_Holme_2016, Moore_etal_2019). ثم تُلائم الإشارة المتبقية بطريقة المربعات الصغرى لوصف تحليلي للحقل الداخلي \( \bm{B} \) عبر الجهد \( V \)، بحيث \( \bm{B} = -\nabla V \) ويستوفي شرط \( \bm{J} = \bm{0} \)، حيث \( \bm{J} \) تمثل التيار الكهربائي المحيط. بعد ذلك، يُمثَّل الجهد عادةً من خلال توسّع بالتوافقيات الكروية المقطوعة (connerney1981magnetic)، شبيهة بالدراسات المماثلة لحقل الأرض المغناطيسي (alken2021international).