近代物理所與510所參研 科學家首次完整構建火星空間太陽高能粒子能譜

近日，包括中國科學院近代物理研究所和蘭州空間技術物理研究所在內的科學家首次構建了火星空間完整的太陽高能粒子事件的質子能譜，對火星空間輻射環境的監測具有重要意義。相關成果發表在國際權威學術期刊《地球物理研究快報》上，並被該雜誌選爲當期封面文章。

太陽高能粒子事件是由太陽爆發活動產生的最具破壞性的空間天氣事件之一。事件發生期間，空間中的高能帶電粒子會突然增強，可能對在軌航天器和航天員的安全造成巨大威脅。與地球不同，火星由於缺少磁場保護且大氣稀薄，其表面更易受到高能粒子及其在火星大氣中生成的次級粒子的影響。研究太陽高能粒子事件對火星空間的影響，對未來火星探測任務中的防輻射工作具有重要影響。

2021年11月，我國研製的“天問一號”環繞器進入火星科學任務軌道，其搭載的能量粒子分析儀（MEPA）開始探測火星空間的粒子通量。2022年2月15日，能量粒子分析儀觀測了一個流量和能量極高的太陽高能粒子事件，這也是我國科學家觀測到的首個在火星表面引起輻射劑量增強的事件。該事件同時被歐洲航天局的微量氣體軌道飛行器（TGO）、美國航空航天局的火星大氣和揮發性演化軌道器（MAVEN）以及火星表面的好奇號火星車探測到。這是在火星空間首次有如此多的探測器同時探測到同一個太陽高能粒子事件。

此前，美國“MAVEN”軌道器搭載的太陽高能粒子儀僅能探測到能量在7電子伏特以下的質子通量。而“天問一號”能量粒子分析儀能夠探測2-100電子伏特的質子通量，極大地擴充了火星空間高能質子的能量監測範圍，爲本項研究提供了關鍵數據支持。

來自中國科學技術大學、中國科學院近代物理研究所、蘭州空間技術物理研究所和德國基爾大學的科研人員利用中外高能粒子及輻射探測數據，結合火星大氣粒子傳輸模擬，首次完整地構建了太陽高能粒子在火星空間的能譜。

該研究使用了多個探測器數據來構建相關質子能譜。中低能段的質子能譜由能量粒子分析儀和美國高能粒子儀提供。更高能段的質子通量是團隊結合火星表面的輻射評估探測器和火星粒子傳輸模型模擬反演得到。研究團隊通過對上述觀測和反演的能譜進行擬合，得到了此次太陽高能粒子事件在火星空間1~1000電子伏特能量範圍內的完整質子能譜。

研究團隊利用這一完整能譜計算了此次事件在火星軌道和火星表面引發的輻射劑量，得到的結果與軌道和表面實際測量值定量相符。這一結果驗證了“天問一號”能量粒子分析儀數據的可靠性和火星輻射傳輸模型的精準性。

該研究加深了人們對火星空間輻射環境的理解，爲未來類似事件研究提供參考，同時凸顯了在火星進行連續和協同輻射監測的必要性。這項研究受到中國科學院重點研究計劃和戰略重點項目、國家自然科學基金等項目支持。論文第一作者爲中國科學技術大學博士研究生張建，通訊作者爲中國科學技術大學郭靜楠教授、中國科學院近代物理研究所張永傑副研究員、孫志宇研究員和蘭州空間技術物理研究所李存惠研究員。

蘭州日報社全媒體記者 何燕 通訊員 尹經敏