澳科大學者發表「天問一號」火星能量粒子分析儀首個科學成果
揭示太陽高能粒子傳輸機制

近期，由澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室助理主任張小平副教授帶領研究團隊，對2020年11月「天問一號」奔火途中遇到的一個太陽高能粒子事件進行了詳細報道，這是中國火星探測任務「天問一號」搭載的火星能量粒子分析儀自發射升空後的首個科學成果。相關論文於2022年7月26日在國際著名期刊《天體物理學雜誌快報》（The Astrophysical Journal Letters）在線發表，並被美國天文學會（AAS）選為亮點工作進行專題報道。合作單位包括中國地質大學（北京）、中科院近代物理研究所、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。

火星能量粒子分析儀是中國首個用於研究行星際和近火星空間輻射環境的載荷，由中科院近代物理所和蘭州空間技術物理研究所聯合研製，並於2020年7月由「天問一號」火星探測器攜帶升空，正式開啓火星探測任務。作為中國天文與行星科學領域唯一的國家重點實驗室，澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室緊跟國家月球與行星探測步伐，積極與國內外相關單位建立緊密合作關係，在行星科學與深空探測領域開展多學科綜合研究工作。

據了解，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，太陽高能粒子事件的發生具有偶發性和不可預測性。該類事件爆發時産生的能量粒子通常起源於太陽耀斑爆發和日冕物質拋射驅動的激波加速過程，其通量可高於背景宇宙線達幾個數量級，不僅會對行星際和近地空間輻射環境帶來巨大影響，也對載人航天和深空探測等空間任務構成巨大威脅。深入理解太陽高能粒子的加速與傳輸機制一直是空間物理和空間天氣研究的重要課題之一。

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個天文單位（AU）處，觀測到第25個太陽活動周期的首個大範圍太陽高能粒子事件。事件發生時，「天問一號」與地球近似處於同一磁力線上，使「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寶貴的機會。

通過對比分析2020年11月29日事件期間，火星能量粒子分析儀和地球附近航天器的質子通量觀測數據，研究團隊發現，「天問一號」和地球附近航天器關聯的磁力線並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。研究團隊還發現，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减階段也有著相似的演化趨勢，呈現出典型的蓄水池現象。研究團隊認為，雙冪律能譜很可能是在激波加速源區産生，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。研究還揭示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。綜上所述，這一非常罕見的事例對約束太陽高能粒子的加速及傳輸機理具有重要意義。

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的觀測數據表現出非常好的一致性，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，為後續環火星探測數據的研究奠定了良好基礎，有望幫助人們更好地瞭解火星輻射環境以及規劃深空探測任務。

上述成果的第一作者為澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室助理教授傅帥博士，助理主任張小平副教授為通訊作者。傅帥博士於2020年6月至2022年6月在澳科大從事博士後研究工作，期間受到澳門科學技術發展基金博士後專項資助，以第一作者在The Astrophysical Journal Supplement Series，The Astrophysical Journal Letters等主流期刊發表學術論文4篇。

相關鏈接：

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac80f5

美國天文學會亮點文章鏈接：https://aasnova.org/2022/08/03/caught-in-a-solar-storm-on-the-way-to-mars/

事件期間，「天問一號」探測器（TW-1）與太陽軌道飛行器（SolO）、帕克太陽探測器（PSP）、STEREO-A（STA）、地球及火星的相對位置 [Fu et al. 2022]

「天問一號」火星能量粒子分析儀（TW-1/MEPA）與地球附近衛星（ACE、WIND、SOHO）觀測的事件爆發後每12小時質子事件能譜的對比 [Fu et al. 2022]