中科院近代物理研究所網(wǎng)站消息，近期，中國科學(xué)院近代物理研究所同國內(nèi)外多家單位合作者組成的研究團(tuán)隊(duì)利用天問一號(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)太陽高能粒子事件。相關(guān)結(jié)果于7月26日發(fā)表在國際權(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月搭載在天問一號(hào)火星探測(cè)器上發(fā)射升空，正式開啟了探測(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1.39天文單位（au）處，觀測(cè)到第25個(gè)太陽活動(dòng)周期的首個(gè)大型徑向分布的太陽高能粒子事件。事件發(fā)生時(shí)，天問一號(hào)與地球近似處于同一根磁力線上，這使得天問一號(hào)和地球附近航天器能夠在相隔數(shù)千萬公里的地方觀測(cè)到來自相同源區(qū)的太陽高能粒子，為研究太陽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。與通量長期穩(wěn)定的銀河宇宙線不同，太陽高能粒子事件在任何一個(gè)太陽活動(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耀斑爆發(fā)和日冕物質(zhì)拋射驅(qū)動(dòng)的激波加速過程，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)、中國地質(zhì)大學(xué)、蘭州空間技術(shù)物理研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、美國阿拉巴馬大學(xué)亨茨維爾分校和中科院國家空間科學(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)，圍繞此次太陽高能粒子事件開展了能量粒子的加速和傳播機(jī)制的物理研究。

通過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)天問一號(hào)和地球附近航天器關(guān)聯(lián)的磁力線并沒有連接到太陽表面的爆發(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)還討論了太陽高能粒子事件峰值強(qiáng)度的徑向相關(guān)性和磁力線長度相關(guān)性等。

在此次太陽高能粒子事件中，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：天問一號(hào)搭載的火星能量粒子分析儀觀測(cè)到的太陽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)》）