澳科大学者发表「天问一号」火星能量粒子分析仪首个科学成果
揭示太阳高能粒子传输机制

近期，由澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室助理主任张小平副教授带领研究团队，对2020年11月「天问一号」奔火途中遇到的一个太阳高能粒子事件进行了详细报道，这是中国火星探测任务「天问一号」搭载的火星能量粒子分析仪自发射升空后的首个科学成果。相关论文于2022年7月26日在国际著名期刊《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）在线发表，并被美国天文学会（AAS）选为亮点工作进行专题报道。合作单位包括中国地质大学（北京）、中科院近代物理研究所、兰州空间技术物理研究所、中国科学技术大学、美国阿拉巴马大学亨茨维尔分校和中科院国家空间科学中心。

火星能量粒子分析仪是中国首个用于研究行星际和近火星空间辐射环境的载荷，由中科院近代物理所和兰州空间技术物理研究所联合研制，并于2020年7月由「天问一号」火星探测器携带升空，正式开启火星探测任务。作为中国天文与行星科学领域唯一的国家重点实验室，澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室紧跟国家月球与行星探测步伐，积极与国内外相关单位建立紧密合作关系，在行星科学与深空探测领域开展多学科综合研究工作。

据了解，一旦离开近地环境进入太空，失去地球磁场的保护，宇航员及航天器就必然暴露在强烈的高能粒子辐射之中。与通量长期稳定的银河宇宙线不同，太阳高能粒子事件的发生具有偶发性和不可预测性。该类事件爆发时产生的能量粒子通常起源于太阳耀斑爆发和日冕物质抛射驱动的激波加速过程，其通量可高于背景宇宙线达几个数量级，不仅会对行星际和近地空间辐射环境带来巨大影响，也对载人航天和深空探测等空间任务构成巨大威胁。深入理解太阳高能粒子的加速与传输机制一直是空间物理和空间天气研究的重要课题之一。

2020年11月29日，火星能量粒子分析仪在地火转移轨道距太阳1.39个天文单位（AU）处，观测到第25个太阳活动周期的首个大范围太阳高能粒子事件。事件发生时，「天问一号」与地球近似处于同一磁力线上，使「天问一号」和地球附近航天器能够在相隔数千万公里的地方观测到来自相同源区的太阳高能粒子，为研究太阳高能粒子沿磁力线在行星际空间的传播提供了一个宝贵的机会。

通过对比分析2020年11月29日事件期间，火星能量粒子分析仪和地球附近航天器的质子通量观测数据，研究团队发现，「天问一号」和地球附近航天器关联的磁力线并没有连接到太阳表面的爆发源区和行星际激波，这意味着高能粒子必须跨越磁力线才能到达「天问一号」和地球附近航天器。研究团队还发现，两个位置处观测到的质子能谱形状非常相似，均表现为双幂律谱，且它们的质子强度时间曲线在太阳高能粒子事件衰减阶段也有着相似的演化趋势，呈现出典型的蓄水池现象。研究团队认为，双幂律能谱很可能是在激波加速源区产生，而传播过程中的垂直扩散效应是解释该事件中蓄水池现象的关键因素。研究还揭示了太阳高能粒子事件峰值强度的径向相关性和磁力线长度相关性等。综上所述，这一非常罕见的事例对约束太阳高能粒子的加速及传输机理具有重要意义。

此次太阳高能粒子事件中，火星能量粒子分析仪与近地航天器的观测数据表现出非常好的一致性，这表明火星能量粒子分析仪仪器功能与性能均符合设计预期，仪器测得的数据质量可靠，为后续环火星探测数据的研究奠定了良好基础，有望帮助人们更好地了解火星辐射环境以及规划深空探测任务。

上述成果的第一作者为澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室助理教授傅帅博士，助理主任张小平副教授为通讯作者。傅帅博士于2020年6月至2022年6月在澳科大从事博士后研究工作，期间受到澳门科学技术发展基金博士后专项资助，以第一作者在The Astrophysical Journal Supplement Series，The Astrophysical Journal Letters等主流期刊发表学术论文4篇。

相关链接：

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac80f5

美国天文学会亮点文章链接：https://aasnova.org/2022/08/03/caught-in-a-solar-storm-on-the-way-to-mars/

事件期间，「天问一号」探测器（TW-1）与太阳轨道飞行器（SolO）、帕克太阳探测器（PSP）、STEREO-A（STA）、地球及火星的相对位置 [Fu et al. 2022]

「天问一号」火星能量粒子分析仪（TW-1/MEPA）与地球附近卫星（ACE、WIND、SOHO）观测的事件爆发后每12小时质子事件能谱的对比 [Fu et al. 2022]