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嫦娥四号中性原子探测仪最新进展
发布时间: 2022-01-20 字体:

  摘要:太阳风质子轰击月球表面月壤,可从月壤获得电荷产生能量中性原子,其参数特征包含了太阳风与月表物质以及磁异常之间的相互作用信息。嫦娥四号首次着陆于月球背面的南极-艾肯盆地,其西北边缘分布着大片磁异常区,因此是研究这种相互作用过程的理想环境。嫦娥四号中性原子探测仪发现,能量在100-600 eV之间的中性原子参数特征显示出晨昏不对称性,在昏侧观测到的中性原子能量、温度和通量较低。结果表明,太阳风在昏侧可能被磁异常偏转屏蔽,降低了中性原子通量;而磁异常上方的静电场则使太阳风减速,降低了中性原子的能量和温度。


  众所周知,我们被强大的全球磁场保护着,当太阳风入侵地球时,正是由于磁场的阻挡,地球周围会形成一个巨大的保护伞——磁层,阻挡了绝大部分太阳风入侵。而月球由于缺少这种全球磁场和浓密的大气,月球表面直接暴露于危险的深空下,其中太阳风、地球风可以直接轰击月表,产生各种各样的作用。目前来自中国嫦娥、日本月亮女神、印度月船一号以及美国星际边界探测器的数据表明,在一般区域,大约0.1-1%的太阳风质子会被月表散射,10-20%的太阳风质子与月表作用后转化成能量中性原子,剩下的大部分会注入月壤产生月球水。虽然月球没有全球磁场,但在月表散落着多个磁场异常区,在月表磁场强度约几百nT,当太阳风与磁异常相互作用时,也会形成一个小保护伞——微磁层,也可以阻挡一部分太阳风轰击月表,太阳风质子的反射率在大尺度磁异常区明显增加(平均~10%,局地50%)。探测能量中性原子可揭示太阳风、地球风与月表相互作用的微观物理机制,理解其中的小尺度特征。


  图1 嫦娥四号着陆于月球背面南极-艾肯盆地内的冯?卡门撞击坑,黄色区域为磁异常区,红色箭头代表在昏侧时太阳风轰击月表的方向。


  2019年1月3日,嫦娥四号着陆于月球背面南极-艾肯盆地内的冯?卡门撞击坑,其中搭载在玉兔二号巡视器上的中性原子探测仪(ASAN)首次在月球背面对月表能量中性原子(ENA)开展观测(图1所示)。本文分析了2019年1月11日至2020年10月12日ASAN获取的ENA能谱,发现在大多数月昼下,晨侧的ENA微分通量高于昏侧;结合嫦娥四号中性原子探测仪和ARTEMIS卫星同期的观测数据分析发现,晨侧和昏侧不同能量范围的ENA微分通量与太阳风状态参数如通量、密度及动压呈正相关关系;通过统计晨侧和昏侧的太阳风能量与ENA截止能量及温度的关系发现,在相同能量的太阳风轰击下,昏侧的ENA的截止能量和温度低于晨侧,说明在昏侧太阳风可能受月球微磁层影响,被磁异常上方的静电场所减速(图2所示),使能谱变窄、温度降低,该结果与Xie 等人(2021)模拟结果一致。利用晨侧与昏侧的ENA截止能量之差,可估算太阳风在昏侧的减速,进而计算静电势,静电势和太阳风减速率都随太阳风能量的变化而变化。静电势范围为50-260 V(95%置信区间为30-350 V)。太阳风的减速率为12%-18%(95%置信区间为7.5%-30%),与之前在绕月轨道的观测结果一致。该工作是首次利用月表的中性原子观测数据计算磁异常上方的静电势,更新了粒子与磁异常相互作用的认识,也说明探测能量中性原子是研究太阳风、地球风与月表相互作用的有效工具。该成果对研究太阳风、地球风与无大气无全球磁场的天体(如小行星或彗星)具有广泛的参考价值。


  图2 由于质子和电子的运动导致的电荷分极电场,电场方向向上。太阳风质子的减速与磁异常有关。


  研究成果发表于业内权威杂志Astrophysical Journal Letters,该论文的第一作者是山东大学磁层与太阳风相互作用课题组博士生王慧姿,通讯作者为山东大学磁层与太阳风相互作用课题组长史全岐教授和行星科学课题组张江老师,论文的合作者来自于日本宇宙航空研究开发机构、北京大学、中科院空间中心、中科院地球所等。


  该工作得到了国家自然科学基金(41941001, 41974189, 41731068, 41773065, 41961130382, 41941001, 41974191, 42074194), 中科院前沿科学研究项目(QYZDY-SSW-DQC028),英国皇家学会NAF\R1\191047, 国家重点实验室专项研究基金、中国科学院战略重点研究项目(grant No. XDB 41000000)等项目支持。

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