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天問(wèn)一號(hào)火星能量粒子分析儀首個(gè)科學(xué)成果發(fā)布
中科院近代物理研究所網(wǎng)站消息,近期,中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所同國(guó)內(nèi)外多家單位合作者組成的研究團(tuán)隊(duì)利用天問(wèn)一號(hào)火星能量粒子分析儀獲得了首個(gè)科學(xué)成果,研究討論了基于該載荷在地火轉(zhuǎn)移軌道中觀測(cè)到的一個(gè)太陽(yáng)高能粒子事件。相關(guān)結(jié)果于7月26日發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》(The Astrophysical Journal Letters)上,并被美國(guó)天文學(xué)會(huì)(AAS)選為亮點(diǎn)工作,以“Caught in a Solar Storm on the Way to Mars”為題進(jìn)行了專題報(bào)道。
火星能量粒子分析儀是我國(guó)首個(gè)用于研究行星際和近火星空間輻射環(huán)境的載荷,由近代物理所和蘭州空間技術(shù)物理研究所聯(lián)合研制,于2020年7月搭載在天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器上發(fā)射升空,正式開(kāi)啟了探測(cè)任務(wù)。
2020年11月29日,火星能量粒子分析儀在地火轉(zhuǎn)移軌道距太陽(yáng)1.39天文單位(au)處,觀測(cè)到第25個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期的首個(gè)大型徑向分布的太陽(yáng)高能粒子事件。事件發(fā)生時(shí),天問(wèn)一號(hào)與地球近似處于同一根磁力線上,這使得天問(wèn)一號(hào)和地球附近航天器能夠在相隔數(shù)千萬(wàn)公里的地方觀測(cè)到來(lái)自相同源區(qū)的太陽(yáng)高能粒子,為研究太陽(yáng)高能粒子沿磁力線在行星際空間的傳播提供了一個(gè)寶貴的機(jī)會(huì)。
理解太陽(yáng)高能粒子的加速與傳播機(jī)制一直是空間物理和空間天氣研究的重要課題之一。一旦離開(kāi)近地環(huán)境進(jìn)入太空、失去地球磁場(chǎng)的保護(hù),宇航員及航天器就必然暴露在強(qiáng)烈的高能粒子輻射之中。與通量長(zhǎng)期穩(wěn)定的銀河宇宙線不同,太陽(yáng)高能粒子事件在任何一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期內(nèi)具有偶發(fā)、不可預(yù)測(cè)的特性。該事件爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的能量粒子通常起源于太陽(yáng)耀斑爆發(fā)和日冕物質(zhì)拋射驅(qū)動(dòng)的激波加速過(guò)程,其通量高于背景宇宙線達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí),不僅對(duì)行星際和近地空間輻射環(huán)境帶來(lái)巨大影響,也對(duì)載人航天和深空探測(cè)等空間任務(wù)構(gòu)成巨大威脅。
近代物理所科研人員在獲得回傳的數(shù)據(jù)資料后,對(duì)火星能量粒子分析儀的工況進(jìn)行了檢查,確認(rèn)其在軌工作狀態(tài)良好。研究人員構(gòu)建了仿真軟件,使用模擬數(shù)據(jù)對(duì)回傳的抽樣原始數(shù)據(jù)刻度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證,得到了火星能量粒子分析儀對(duì)不同種類入射粒子的幾何因子;同時(shí),梳理了抽樣原始數(shù)據(jù)與觀測(cè)在軌能譜的關(guān)系,建立了一套完整的數(shù)據(jù)分析處理方法,確保了科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性。
以高質(zhì)量的質(zhì)子通量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),近代物理所科研人員與澳門科技大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、蘭州空間技術(shù)物理研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、美國(guó)阿拉巴馬大學(xué)亨茨維爾分校和中科院國(guó)家空間科學(xué)中心研究人員合作,結(jié)合地球附近航天器的觀測(cè)數(shù)據(jù),圍繞此次太陽(yáng)高能粒子事件開(kāi)展了能量粒子的加速和傳播機(jī)制的物理研究。
通過(guò)比較火星能量粒子分析儀與近地航天器的質(zhì)子通量數(shù)據(jù),研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)天問(wèn)一號(hào)和地球附近航天器關(guān)聯(lián)的磁力線并沒(méi)有連接到太陽(yáng)表面的爆發(fā)源區(qū)和行星際激波,這意味著高能粒子必須跨越磁力線才能到達(dá)天問(wèn)一號(hào)和地球附近航天器。另外,研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)兩個(gè)位置處觀測(cè)到的質(zhì)子能譜形狀非常相似,均表現(xiàn)為雙冪律譜,并且它們的質(zhì)子強(qiáng)度時(shí)間曲線在太陽(yáng)高能粒子事件衰減階段也有著相似的演化趨勢(shì),呈現(xiàn)出典型的蓄水池現(xiàn)象。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,雙冪律能譜很可能是在激波加速源區(qū)產(chǎn)生,而傳播過(guò)程中的垂直擴(kuò)散效應(yīng)是解釋該事件中蓄水池現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。此外,研究團(tuán)隊(duì)還討論了太陽(yáng)高能粒子事件峰值強(qiáng)度的徑向相關(guān)性和磁力線長(zhǎng)度相關(guān)性等。
在此次太陽(yáng)高能粒子事件中,火星能量粒子分析儀與近地航天器觀測(cè)數(shù)據(jù)具有非常好的一致性,這表明火星能量粒子分析儀儀器功能與性能均符合設(shè)計(jì)預(yù)期,儀器測(cè)得的數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠,為后續(xù)環(huán)火星探測(cè)數(shù)據(jù)的研究奠定了良好基礎(chǔ),有望幫助人們更好地了解火星輻射環(huán)境以及規(guī)劃深空探測(cè)任務(wù)。
圖1:天問(wèn)一號(hào)搭載的火星能量粒子分析儀觀測(cè)到的太陽(yáng)高能粒子事件事件關(guān)聯(lián)譜。(圖/張永杰)
圖2:事件爆發(fā)時(shí)天問(wèn)一號(hào)(灰色點(diǎn))、火星(紅點(diǎn))、地球(藍(lán)點(diǎn))以及其它航天器的相對(duì)位置。(圖源/《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》)
圖3: SOHO衛(wèi)星和火星能量粒子分析儀在相近能道上觀測(cè)到質(zhì)子時(shí)間強(qiáng)度曲線的對(duì)比。(圖源/《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》)
- 責(zé)任編輯: 林鈴錦 
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