天問一號火星能量粒子分析儀首個科學成果發布

近日，天問一號火星能量粒子分析儀獲得了首個科學成果，研究討論了基于該載荷在地火轉移軌道中觀測到的一個太陽高能粒子事件。相關結果于7月26日發表在《天體物理學雜志快報》（The Astrophysical Journal Letters）上，并被美國天文學會（AAS）選為亮點工作，并進行了專題報道。

這項研究由澳門科技大學、中國地質大學（北京）、中科院近代物理研究所、蘭州空間技術物理研究所、中國科學技術大學、美國阿拉巴馬大學亨茨維爾分校和中科院國家空間科學中心組成的團隊合作完成。

火星能量粒子分析儀是我國首個用于研究行星際和近火星空間輻射環境的載荷，由中科院近代物理所和蘭州空間技術物理研究所聯合研制，于2020年7月搭載在天問一號火星探測器上發射升空，正式開啟了探測任務。

2020年11月29日，火星能量粒子分析儀在地火轉移軌道距太陽1.39個天文單位（AU）處，觀測到第25個太陽活動周期的首個大范圍太陽高能粒子事件。事件發生時，天問一號與地球近似處于同一磁力線上，這使得天問一號和地球附近航天器能夠在相隔數千萬公里的地方觀測到來自相同源區的太陽高能粒子，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寶貴的機會。

而理解太陽高能粒子的加速與傳播機制一直是空間物理和空間天氣研究的重要課題之一。

據了解，一旦離開近地環境進入太空、失去地球磁場的保護，宇航員及航天器就必然暴露在強烈的高能粒子輻射之中。與通量長期穩定的銀河宇宙線不同，太陽高能粒子事件的發生具有偶發性和不可預測性。該類事件爆發時產生的能量粒子通常起源于太陽耀斑爆發和日冕物質拋射驅動的激波加速過程，其通量可高于背景宇宙線達幾個數量級，不僅會對行星際和近地空間輻射環境帶來巨大影響，也對載人航天和深空探測等空間任務構成巨大威脅。

通過對比分析2020年11月29日事件期間，火星能量粒子分析儀和地球附近航天器的質子通量觀測數據，研究團隊發現，天問一號和地球附近航天器關聯的磁力線并沒有連接到太陽表面的爆發源區和行星際激波，這意味著，高能粒子必須跨越磁力線才能到達天問一號和地球附近航天器。

研究團隊還發現，兩個位置處觀測到的質子能譜形狀非常相似，均表現為雙冪律譜，且它們的質子強度時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，呈現出典型的蓄水池現象。

研究團隊認為，雙冪律能譜很可能是在激波加速源區產生，而傳播過程中的垂直擴散效應是解釋該事件中蓄水池現象的關鍵因素。

同時，這項研究還討論了太陽高能粒子事件峰值強度的徑向相關性和磁力線長度相關性等。

據了解，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的觀測數據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計預期，儀器測得的數據質量可靠，為后續環火星探測數據的研究奠定了良好基礎，有望幫助人們更好地了解火星輻射環境以及規劃深空探測任務。

事件爆發時天問一號（灰色點）、火星（紅點）、地球（藍點）以及其它衛星的相對位置。（圖源/《天體物理學雜志快報》）

SOHO衛星和MEPA在相近能道上觀測到質子時間強度曲線的對比。（圖源/《天體物理學雜志快報》）