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嫦娥四号最新研究成果--首次获得月球表面的宇宙线通量和能谱
发布时间: 2022-01-20 字体:

  研究团队基于嫦娥四号月表中子与辐射剂量探测仪(Lunar Lander Neutrons and Dosimetry,LND)采集的数据,在国际上首次获得了月球表面的宇宙射线通量和能谱。研究成果于北京时间2022年01月15日以“First measurements of low-energy cosmic rays on the surface of the lunar farside from Chang’E-4 mission”为题,在线发表在著名国际学术期刊《Science Advances》上。该论文的第一作者是澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室罗朋威博士,通讯作者为张小平副教授。研究团队还包括实验室的傅帅和李勇博士以及兰州空间技术物理研究所李存惠高级工程师和北京航空航天大学曹晋滨教授。

  图1:在CE-4/LND开机工作期间,近地航天器ACE、SOHO和ARTEMIS-P1在GSE坐标系X-Y平面的位置关系图。ARTEMIS任务由两个完全相同的航天器P1和P2组成,它们在环绕月球的轨道上运行,它们的位置可以近似的代表月球的位置。其中,RE是地球的半径。


  图2: CE-4/LND、近地航天器(ACE、SOHO和STEREO-A)以及CRèME模型给出的宇宙线能谱。(A) 质子,(B)α粒子,(C)CNO,(D)重离子,主要包括Ne、Na、Mg、Al、Si、S、Ar、Ca、Fe和Ni。其中,EPHIN搭载在SOHO上,LET搭载在STEREO-A上,SIS和EPAM搭载在ACE上。


  图3:CE-4/LND的宇宙线通量观测值与近地航天器的观测值及与CRèME模型的预测值之比。其中,红色虚线是值为1.0的参考线。


  图4:与图3相对应,只是对各能道的比值取了加权平均。



  宇宙线强烈地影响着空间环境,深入了解宇宙线的成分及能谱,有助于更好地评估空间环境中的辐射水平,这对于人类的深空探测活动具有重要意义。宇宙线主要包含三种类型:太阳高能粒子(SEP),银河宇宙线(GCR)和异常宇宙线(ACR)。SEP源于太阳,通常产生于太阳活跃期,伴随着太阳耀斑和日冕物质抛射事件的发生,粒子的能量从MeV到GeV的量级变化。GCR被认为起源于银河系内的超新星爆发,但不排除超高能量粒子来源于银河系外的可能性。ACR则被认为起源于日球层外的局地星际介质中的中性原子,这些原子通常具有较高的第一电离势,包括质子(H)、氦(He)、氮(N)、氧(O)、氖(Ne)和氩(Ar)。在太阳平静期,宇宙线由GCR主导。GCR的主要成分包括:H(约87%),He(约12%)和重核(约1%)。此外,GCR是持续性的,SEP则是零星的,通常产生于太阳活动高年。


  月球作为地球唯一的天然卫星,是人类开展深空探测的前哨站。月球原位探测是一项复杂的系统工程,工程的成功实施依赖于人类在科学和技术上的长期积累,包括对月球表面辐射环境全面且准确的认识。月球表面与地球表面的辐射环境是截然不同的。月面极度接近真空且缺乏全球性偶极磁场的保护而时刻遭受着来自宇宙线的强烈轰击,因此月球表面的辐射环境由高能离子主导。与之相反,地球表面因受到浓密大气层和偶极地磁场的保护,高能离子很难到达地球表面,因此地球表面的辐射剂量主要由环境中的天然放射性核素发射的γ射线(能量很高的光子)和低能α粒子(氦核)贡献。由于月球表面辐射环境非常复杂,除了宇宙线以外,还有宇宙线与月球表面相互作用产生的反照辐射(包括宇宙线与月球表面相互作用产生的次级粒子,如中子和γ射线等),以及月球表面天然放射性核素衰变释放的γ射线和低能α粒子。宇宙线及其反照粒子会对宇航员和精密仪器的安全构成严重的威胁,比如暴露在过量宇宙线中的宇航员患上白内障、癌症以及中枢神经退化性疾病的风险会增加;仪器暴露在过量宇宙线中,高能带电粒子可能会使仪器内部一些电导率较低的材料被击穿而功能失效,从而影响到仪器的正常使用。此外,考虑到月球原位探测高昂的运输成本,平衡运输成本与防护措施之间的关系也离不开对月球表面辐射环境的全面和准确认识。


  为探寻月球环境因素,如磁场异常区等,对月球表面宇宙线能谱的影响,研究团队系统地测量了2019/2020太阳活动极小期月球表面低能宇宙线质子,α粒子,CNO及重离子能谱。通过比较LND和近地航天器(ACE、SOHO和STEREO-A,见图1)对这些粒子能谱的观测结果,研究团队发现在约10至约100 MeV/nuc能量范围内LND测得的宇宙线能谱与近地航天器的观测结果是一致的(见图2至4)。具体而言,对于质子和CNO,LND与近地航天器的观测结果在误差范围内是一致的,粒子通量比的平均值分别为(1.05±0.15)和(1.08±0.16);对于α粒子和重离子,近地航天器与LND的观测结果在1.7倍标准偏差内相当,粒子通量比的平均值分别为(1.30±0.18)和(1.24±0.21)。据此可以认为月球表面环境因素对这些低能宇宙线能谱的影响可以忽略。考虑到更高能量的宇宙线对月球表面环境因素的敏感程度更低,可以进一步将该结论推广为:月球表面环境对能量不低于约10 MeV/nuc的宇宙线能谱的影响是可以忽略的。但是,质子和α粒子的通量观测值与CRèME模型给出的相应预测值之间存在很大差异,特别是质子能谱。LND的质子通量测量值与CRèME96和CRèME2009模型的质子通量预测值之比分别高达(1.69±0.17)和(2.25±0.23)。研究团队还提取了3He和4He的通量比,发现该比值在约12 MeV/nuc处有显著增强(见图5)。此外,月球表面宇宙线能谱的晨昏对称性也被研究团队所证实(见图6)。


  基于上述研究结论:(1)由于宇宙线由质子主导,且LND和近地航天器测得的质子能谱与广泛使用的CRèME模型给出的预测能谱之间存在显著差异,这能为CRèME模型的改进提供约束,这些观测能谱也能为其他相关的理论模型提供检验。(2)这些观测能谱能够为月球表面宇宙线及与其相关的科学研究提供输入,进而促进对月球表面的质子、中子和γ发射能谱的理解。(3)LND给出的3He与4He通量比值与GALPROP模型的预测值之间存在显著差异,该差异能为GALPROP模型的改进提供约束,这些通量比测量值也能为其他相关理论模型提供检验。(4)LND对月球表面宇宙线能谱晨昏对称性的证实将为未来载人登月任务着陆时间和宇航员月球表面出舱活动时间的选择提供重要的科学指引。


  该项研究获得了澳门科学技术发展基金(008/2017/AFJ,0042/2018/A2,0002/2019/APD)、国家航天局民用航天技术预研项目(D020101)和国家自然科学基金(11761161001,41941001)等资助。


  原文链接:


  Pengwei Luo, Xiaoping Zhang, Shuai Fu, Yong Li, Cunhui Li, and Jinbin Cao, First measurements of low-energy cosmic rays on the surface of the lunar farside from Chang’E-4 mission. Sci. Adv., 8 (2), eabk1760 (2022).


  https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk1760

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