天問一號火星能量粒子分析儀首個科學成果發布

　近日，中國科學院近代物理研究所與國內外多家單位合作，利用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。7月26日，相關研究成果發表在《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（Caught in a Solar Storm on the Way to Mars）進行了專題報道。 

　　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天文單位（au）處，觀測到第25個太陽活動周期的首個大型徑向分布的太陽高能粒子事件。事件發生時，天問一號與地球近似處于同一根磁力線上，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，為探究太陽高能粒子沿磁力線在行星際空間的傳播提供了寶貴的機會。

　　剖析太陽高能粒子的加速與傳播機制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，太陽高能粒子事件在任何一個太陽活動周期內具有偶發、不可預測的特性。該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，其通量高于背景宇宙線達幾個數量級，對行星際和近地空間輻射環境帶來巨大影響，并對載人航天和深空探測等空間任務構成巨大威脅。 

　　近代物理所在獲得回傳的數據資料后，對火星能量粒子分析儀的工況進行了檢查，確認其在軌工作狀態良好。科研人員構建了仿真軟件，使用模擬數據對回傳的抽樣原始數據刻度計算結果進行比較驗證，得到了火星能量粒子分析儀對不同種類入射粒子的幾何因子；梳理了抽樣原始數據與觀測在軌能譜的關系，建立了一套完整的數據分析處理方法，確保了科學探測數據質量的可靠性。 

　　以高質量的質子通量數據為基礎，近代物理所與澳門科技大學、中國地質大學、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合作，結合地球附近航天器的觀測數據，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子通量數據，研究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。另外，研究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。此外，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。 

　　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的基礎，有望幫助科學家更好地了解火星輻射環境以及規劃深空探測任務。 

　　論文鏈接 

　　AAS Nova專題報道鏈接 

圖1.天問一號搭載的火星能量粒子分析儀觀測到的太陽高能粒子事件事件關聯譜。（圖/張永杰） 

圖2.事件爆發時天問一號（灰色點）、火星（紅點）、地球（藍點）以及其他航天器的相對位置。（圖源/《天體物理學雜志快報》） 

圖3.SOHO衛星和火星能量粒子分析儀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》）