科研進(jìn)展
科學(xué)家首次完整構建火星空間太陽(yáng)高能粒子能譜
近日，科學(xué)家首次構建了火星空間完整的太陽(yáng)高能粒子事件的質(zhì)子能譜，對火星空間輻射環(huán)境的監測具有重要意義。相關(guān)成果發(fā)表在國際權威學(xué)術(shù)期刊《地球物理研究快報》（Geophysical Research Letters）上，并被該雜志選為當期封面文章。
太陽(yáng)高能粒子事件是由太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)產(chǎn)生的最具破壞性的空間天氣事件之一。事件發(fā)生期間，空間中的高能帶電粒子會(huì )突然增強，可能對在軌航天器和航天員的安全造成巨大威脅。與地球不同，火星由于缺少磁場(chǎng)保護且大氣稀薄，其表面更易受到高能粒子及其在火星大氣中生成的次級粒子的影響。研究太陽(yáng)高能粒子事件對火星空間的影響，對未來(lái)火星探測任務(wù)中的防輻射工作具有重要影響。
2021年11月，我國研制的天問(wèn)一號環(huán)繞器進(jìn)入火星科學(xué)任務(wù)軌道，其搭載的能量粒子分析儀（MEPA）開(kāi)始探測火星空間的粒子通量。2022年2月15日，能量粒子分析儀觀(guān)測了一個(gè)流量和能量極高的太陽(yáng)高能粒子事件，這也是我國科學(xué)家觀(guān)測到的首個(gè)在火星表面引起輻射劑量增強的事件。該事件同時(shí)被歐洲航天局的微量氣體軌道飛行器（TGO）、美國航空航天局的火星大氣和揮發(fā)性演化軌道器（MAVEN）以及火星表面的好奇號火星車(chē)探測到。這是在火星空間首次有如此多的探測器同時(shí)探測到同一個(gè)太陽(yáng)高能粒子事件。
此前，美國MAVEN軌道器搭載的太陽(yáng)高能粒子儀僅能探測到能量在7MeV以下的質(zhì)子通量。而天問(wèn)一號能量粒子分析儀能夠探測2－100MeV的質(zhì)子通量，極大地擴充了火星空間高能質(zhì)子的能量監測范圍，為本項研究提供了關(guān)鍵數據支持。
來(lái)自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院近代物理研究所、蘭州空間技術(shù)物理研究所和德國基爾大學(xué)的科研人員利用中外高能粒子及輻射探測數據，結合火星大氣粒子傳輸模擬，首次完整地構建了太陽(yáng)高能粒子在火星空間的能譜。
本研究使用了多個(gè)探測器數據來(lái)構建相關(guān)質(zhì)子能譜。中低能段的質(zhì)子能譜由能量粒子分析儀和美國高能粒子儀提供。更高能段的質(zhì)子通量是團隊結合火星表面的輻射評估探測器和火星粒子傳輸模型模擬反演得到。研究團隊通過(guò)對上述觀(guān)測和反演的能譜進(jìn)行擬合，得到了此次太陽(yáng)高能粒子事件在火星空間1～1000MeV能量范圍內的完整質(zhì)子能譜。
研究團隊利用這一完整能譜計算了此次事件在火星軌道和火星表面引發(fā)的輻射劑量，得到的結果與軌道和表面實(shí)際測量值定量相符。這一結果驗證了天問(wèn)一號能量粒子分析儀數據的可靠性和火星輻射傳輸模型的精準性。
該研究加深了人們對火星空間輻射環(huán)境的理解，為未來(lái)類(lèi)似事件研究提供參考，同時(shí)凸顯了在火星進(jìn)行連續和協(xié)同輻射監測的必要性?！?/span>
圖 1：2022年2月15日太陽(yáng)高能粒子事件同時(shí)被中國的天問(wèn)一號軌道器（Tianwen－1）、歐洲航天局的微量氣體軌道飛行器（TGO）、美國航空航天局的火星大氣和揮發(fā)性演化軌道器（MAVEN）以及火星表面的好奇號火星車(chē)（MSL）探測到。圖源／ Geophysical Research Letters封面
圖2：觀(guān)測的能譜和重構的2022年2月15日太陽(yáng)高能粒子事件1－1000MeV的質(zhì)子能譜 圖源／ Geophysical Research Letters
研究受到中國科學(xué)院重點(diǎn)研究計劃和戰略重點(diǎn)項目、國家自然科學(xué)基金等項目支持。論文第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生張建，通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭靜楠教授、中國科學(xué)院近代物理研究所張永杰副研究員、孫志宇研究員和蘭州空間技術(shù)物理研究所李存惠研究員。
