近期，中國科學(xué)院近代物理研究所同國內(nèi)外多家單位合作者組成的研究團(tuán)隊(duì)利用天問一號火星能量粒子分析儀獲得了首個(gè)科學(xué)成果，研究討論了基于該載荷在地火轉(zhuǎn)移軌道中觀測到的一個(gè)太陽高能粒子事件。相關(guān)結(jié)果于7月26日發(fā)表在國際權(quán)威期刊《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》（The Astrophysical Journal Letters）上，并被美國天文學(xué)會（AAS）選為亮點(diǎn)工作，以“Caught in a Solar Storm on the Way to Mars”為題進(jìn)行了專題報(bào)道。 

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

　　2020年11月29日，火星能量粒子分析儀在地火轉(zhuǎn)移軌道距太陽1.39天文單位（au）處，觀測到第25個(gè)太陽活動周期的首個(gè)大型徑向分布的太陽高能粒子事件。事件發(fā)生時(shí)，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(shù)千萬公里的地方觀測到來自相同源區(qū)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(gè)寶貴的機(jī)會。

　　理解太陽高能粒子的加速與傳播機(jī)制一直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(huán)境進(jìn)入太空、失去地球磁場的保護(hù)，宇航員及航天器就必然暴露在強(qiáng)烈的高能粒子輻射之中。與通量長期穩(wěn)定的銀河宇宙線不同，太陽高能粒子事件在任何一個(gè)太陽活動周期內(nèi)具有偶發(fā)、不可預(yù)測的特性。該事件爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的能量粒子通常起源于太陽耀斑爆發(fā)和日冕物質(zhì)拋射驅(qū)動的激波加速過程，其通量高于背景宇宙線達(dá)幾個(gè)數(shù)量級，不僅對行星際和近地空間輻射環(huán)境帶來巨大影響，也對載人航天和深空探測等空間任務(wù)構(gòu)成巨大威脅。 

　　近代物理所科研人員在獲得回傳的數(shù)據(jù)資料后，對火星能量粒子分析儀的工況進(jìn)行了檢查，確認(rèn)其在軌工作狀態(tài)良好。研究人員構(gòu)建了仿真軟件，使用模擬數(shù)據(jù)對回傳的抽樣原始數(shù)據(jù)刻度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)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；同時(shí)，梳理了抽樣原始數(shù)據(jù)與觀測在軌能譜的關(guān)系，建立了一套完整的數(shù)據(jù)分析處理方法，確保了科學(xué)探測數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性。 

　　以高質(zhì)量的質(zhì)子通量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，近代物理所科研人員與澳門科技大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)、蘭州空間技術(shù)物理研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、美國阿拉巴馬大學(xué)亨茨維爾分校和中科院國家空間科學(xué)中心研究人員合作，結(jié)合地球附近航天器的觀測數(shù)據(jù)，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(jī)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(zhì)子通量數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)天問一號和地球附近航天器關(guān)聯(lián)的磁力線并沒有連接到太陽表面的爆發(fā)源區(qū)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(dá)天問一號和地球附近航天器。另外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)兩個(gè)位置處觀測到的質(zhì)子能譜形狀非常相似，均表現(xiàn)為雙冪律譜，并且它們的質(zhì)子強(qiáng)度時(shí)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(xiàn)出典型的蓄水池現(xiàn)象。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，雙冪律能譜很可能是在激波加速源區(qū)產(chǎn)生，而傳播過程中的垂直擴(kuò)散效應(yīng)是解釋該事件中蓄水池現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。此外，研究團(tuán)隊(duì)還討論了太陽高能粒子事件峰值強(qiáng)度的徑向相關(guān)性和磁力線長度相關(guān)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(shù)據(jù)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(shè)計(jì)預(yù)期，儀器測得的數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，為后續(xù)環(huán)火星探測數(shù)據(jù)的研究奠定了良好基礎(chǔ)，有望幫助人們更好地了解火星輻射環(huán)境以及規(guī)劃深空探測任務(wù)。 

　　文章鏈接：https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac80f5 

　　AAS Nova專題報(bào)道鏈接：https://aasnova.org/2022/08/03/caught-in-a-solar-storm-on-the-way-to-mars/ 

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(guān)聯(lián)譜。（圖/張永杰） 

圖2：事件爆發(fā)時(shí)天問一號（灰色點(diǎn)）、火星（紅點(diǎn)）、地球（藍(lán)點(diǎn)）以及其它航天器的相對位置。

（圖源/《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》） 

圖3: SOHO衛(wèi)星和火星能量粒子分析儀在相近能道上觀測到質(zhì)子時(shí)間強(qiáng)度曲線的對比。

（圖源/《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》） 

　　（放射性束物理室  供稿）