科學家首次完成對火星空間太陽高能粒子事件的能譜構建

近日，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(shù)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。對火星空間輻射環(huán)境的監(jiān)測具有重要意義。相關成果日前發(fā)表在國際權威學術期刊地球物理研究快報《地球物理研究快報》（Geophysical Research Letters）上，并被該雜志選為當期封面文章。

太陽高能粒子事件（SPE）是由太陽爆發(fā)活動產生的最具破壞性的空間天氣事件之一。太陽高能粒子事件期間，空間中的高能帶電粒子會突然增強，可能對在軌航天器的安全運行和航天員的生命安全造成巨大威脅。和地球不同，火星由于沒有全球磁場的保護且大氣稀薄，使得其表面也易受這些高能帶電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，對于未來火星探測任務中的防輻射工作非常重要。

在此之前，火星軌道上MAVEN衛(wèi)星搭載的太陽高能粒子儀（Solar Energetic Particle Instrument,SEP）能夠探測到能量在7MeV以下的質子通量。而如今MEPA探測器能夠探測2-100MeV的質子的通量，極大程度地擴充了火星空間高能質子的能量監(jiān)測范圍，為本項研究提供了關鍵的數(shù)據支持。

2022年2月15日的SPE是“天問一號”環(huán)繞器進入火星科學任務軌道以來，首個能夠在火星表面引起輻射劑量增強的事件。此事件在火星表面引發(fā)的輻射劑量被火星表面“好奇號”火星車上搭載的輻射評估探測器（Radiation Assessment Detector,RAD）完整地記錄。本研究聯(lián)合利用了多個探測器數(shù)據來構建完整的SPE質子能譜：火星軌道上的高能粒子探測器MANEN/SEP和MEPA測得了中低能段的質子能譜（20-100MeV）；而更高能段的質子通量是結合火星表面的“好奇號”火星車的數(shù)據和火星粒子傳輸模擬反演而得出。研究人員繼而使用雙冪律函數(shù)對上述觀測和反演的能譜進行擬合，得到了此次SPE事件在火星空間的1-1000MeV之間的完整的質子能譜（圖2）。研究又利用這一完整的SPE能譜計算了此次事件在火星軌道和火星表面引發(fā)的輻射劑量，得到的結果與軌道處的歐洲航天局的微量氣體軌道飛行器（TGO）和火星表面的“好奇號”火星車（MSL）的實際測量值均定量相符。這一結果同時驗證了MEPA數(shù)據的可靠性和火星輻射傳輸模型的精準性，結果可作為將來類似事件研究的比對參考。

本研究使用了火星處多個粒子和輻射探測器的觀測數(shù)據，并結合了火星輻射傳輸模型，重構了火星空間完整的太陽高能粒子事件的質子能譜，加深了我們對火星空間輻射環(huán)境的理解，為未來類似事件研究提供了參考，同時凸顯了在火星進行連續(xù)和協(xié)同輻射監(jiān)測的必要性。

圖1.2022年2月15日爆發(fā)的太陽高能粒子事件同時被中國的“天問一號”軌道器（Tianwen-1）、ESA的微量氣體軌道飛行器（TGO）、NASA的火星大氣和揮發(fā)性演化軌道器（MAVEN）以及火星表面的“好奇號”火星車（MSL）探測到。（GRL封面文章插圖）

圖2.觀測的能譜和構建的2022年2月15日事件完整的質子能譜