中外聯(lián)合！火星日凌研究獲得重要成果 世界快播

近期，在國家航天局支持下，中外科學家利用我國“天問一號”環(huán)繞器、歐空局“火星快車”軌道器在火星日凌期間測控通信信號，獲得重要研究成果。2022年12月，該成果發(fā)表在天文學領(lǐng)域國際專業(yè)期刊《The Astrophysical Journal Letters》，通訊作者為中科院上海天文臺的馬茂莉和澳大利亞塔斯馬尼亞大學的Guifré Molera Calvés。

火星日凌是指地球、火星運行至太陽兩側(cè)且三者近乎處于一條直線的自然現(xiàn)象（如圖1所示）?；鹦侨樟杵陂g，探測器向地球測控站發(fā)射的無線電信號經(jīng)過臨近太陽空間（以下簡稱臨日空間），受太陽電磁輻射干擾，導致其信號強度和頻率發(fā)生變化。科學家通過對這些影響的研究，可以反演研究太陽的活動情況。2021年9月下旬到10月中旬的火星日凌期間，“天問一號”環(huán)繞器和歐空局“火星快車”軌道器任務團隊控制兩個探測器定期向地球發(fā)射無線電信號，多國科學家利用國內(nèi)外十多個射電望遠鏡，對兩個探測器的信號受太陽影響情況進行了觀測，獲取大量數(shù)據(jù)。

【資料圖】

2021年10月9日，當火星投影點（火星在太陽附近的投影，見圖2所示）距離日心2.6 Rs（太陽半徑）時，研究人員發(fā)現(xiàn)，6個觀測站接收到“天問一號”環(huán)繞器與“火星快車”軌道器的無線電信號頻率出現(xiàn)了最強±20Hz、時間長達10分鐘的擾動。

通過對擾動信號分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，在無線電信號傳播過程中穿越臨日空間時，該區(qū)域的電子總含量發(fā)生了上千個TECU（總電子數(shù)單位，1TECU="10"

16個電子/平方米）的變化。經(jīng)過與大角度分光日冕儀(LASCO)在同一時期獲取的光學遙感觀測數(shù)據(jù)對比后發(fā)現(xiàn)，此次的電子總含量變化是由于日冕物質(zhì)拋射(CME)現(xiàn)象引起的。CME現(xiàn)象作為太陽上最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象之一，可快速拋射大量攜帶有磁場的等離子體，這些等離子體對信號的折射與散射效應會導致信號頻率產(chǎn)生擾動。

由于相同的頻率擾動信號抵達不同位置測站的時間不同，通過頻率擾動信號與各測站之間的傳播距離與傳播時間，可計算得到CME的等離子體拋射速度，因此多站聯(lián)測可以用來研究臨日空間太陽活動的空間傳播情況。

圖3 2021年10月9日，火星投影點距離日心2.6 Rs時，日冕物質(zhì)拋射引起的“天問一號”(a)和“火星快車”(b)的頻率和載噪比擾動變化。Hh：南非哈特比斯特胡克測站；Ys：西班牙耶韋斯站；Mc:意大利梅迪奇納站；Sv、Zc和Bd：俄羅斯的斯韋特拉耶測站、澤連楚克斯卡雅測站和班達拉測站；Yg: 澳大利亞亞拉測站。CME在07:09到達火星投影點，CME前沿在07:20到達火星投影點，07:32離去，11:00之后恢復背景太陽風狀態(tài)。07:20~07:32之間，頻率擾動達到±20Hz。時間為世界協(xié)調(diào)時(UTC)。

同時，在火星投影點附近更小的空間尺度范圍內(nèi)，觀測到了因CME與冕流相互作用引起的冕流波。冕流波是一種大尺度日冕波動現(xiàn)象，又被稱為“太陽上空飄揚的彩帶”，反映了磁場對太陽風等離子體運動的約束情況。通常情況下，冕流波是利用光學手段通過日冕儀進行觀測，但會受到觀測背景亮度的限制。此次，通過射電方法觀測到了背景較暗且光學手段無法分辨的冕流波細節(jié)結(jié)構(gòu)，為未來開展冕流波觀測提供了一種新方法。

本次觀測還在CME離去時探測到初生高速太陽風流。初生太陽風指剛剛從太陽射出的太陽風。一般認為初生太陽風是低速的，在距離日心5Rs~20Rs范圍內(nèi)加速后才會形成高速太陽風。而本次觀測在距離日心2.6Rs的位置就發(fā)現(xiàn)了速度高達每秒上千公里的高速太陽風現(xiàn)象。研究人員推測，初生高速太陽風流可能是受到了來自太陽的磁流體動力學波的影響而形成的。這次觀測工作也表明，通過多站觀測的方法，可以為科研人員研究太陽風流動與磁流體波動提供觀測數(shù)據(jù)支持。

本項工作得益于探測器射電遙感觀測方法的高靈敏度，以及多站聯(lián)合觀測具有的高時間分辨率和高空間分辨率優(yōu)勢。該方法可以對原位探測器無法進入的臨日空間和光學手段無法識別的空間小尺度快速變化現(xiàn)象進行觀測，有助于研究人員更加細致地研究臨日空間環(huán)境及其對深空通信的影響。

該項工作得到國家航天局探月與航天工程中心、北京航天飛行控制中心、北京跟蹤與通信技術(shù)研究所、中國VLBI觀測網(wǎng)和歐洲VLBI觀測網(wǎng)的大力支持，以及國家自然科學基金、國家基礎(chǔ)科學公共科學數(shù)據(jù)中心“VLBI月球與深空探測數(shù)據(jù)庫”、國家重點研發(fā)計劃的資助。

作者/馬茂莉 段疊 李佳威 戚鐵磊

供圖/中國科學院上海天文臺