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    嫦娥四號最新研究成果--首次獲得月球表面的宇宙線通量和能譜
    發布時間: 2022-01-20 字體:

      研究團隊基于嫦娥四號月表中子與輻射劑量探測儀(Lunar Lander Neutrons and Dosimetry,LND)采集的數據,在國際上首次獲得了月球表面的宇宙射線通量和能譜。研究成果于北京時間2022年01月15日以“First measurements of low-energy cosmic rays on the surface of the lunar farside from Chang’E-4 mission”為題,在線發表在著名國際學術期刊《Science Advances》上。該論文的第一作者是澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室羅朋威博士,通訊作者為張小平副教授。研究團隊還包括實驗室的傅帥和李勇博士以及蘭州空間技術物理研究所李存惠高級工程師和北京航空航天大學曹晉濱教授。

      圖1:在CE-4/LND開機工作期間,近地航天器ACE、SOHO和ARTEMIS-P1在GSE坐標系X-Y平面的位置關系圖。ARTEMIS任務由兩個完全相同的航天器P1和P2組成,它們在環繞月球的軌道上運行,它們的位置可以近似的代表月球的位置。其中,RE是地球的半徑。


      圖2: CE-4/LND、近地航天器(ACE、SOHO和STEREO-A)以及CRèME模型給出的宇宙線能譜。(A) 質子,(B)α粒子,(C)CNO,(D)重離子,主要包括Ne、Na、Mg、Al、Si、S、Ar、Ca、Fe和Ni。其中,EPHIN搭載在SOHO上,LET搭載在STEREO-A上,SIS和EPAM搭載在ACE上。


      圖3:CE-4/LND的宇宙線通量觀測值與近地航天器的觀測值及與CRèME模型的預測值之比。其中,紅色虛線是值為1.0的參考線。


      圖4:與圖3相對應,只是對各能道的比值取了加權平均。



      宇宙線強烈地影響著空間環境,深入了解宇宙線的成分及能譜,有助于更好地評估空間環境中的輻射水平,這對于人類的深空探測活動具有重要意義。宇宙線主要包含三種類型:太陽高能粒子(SEP),銀河宇宙線(GCR)和異常宇宙線(ACR)。SEP源于太陽,通常產生于太陽活躍期,伴隨著太陽耀斑和日冕物質拋射事件的發生,粒子的能量從MeV到GeV的量級變化。GCR被認為起源于銀河系內的超新星爆發,但不排除超高能量粒子來源于銀河系外的可能性。ACR則被認為起源于日球層外的局地星際介質中的中性原子,這些原子通常具有較高的第一電離勢,包括質子(H)、氦(He)、氮(N)、氧(O)、氖(Ne)和氬(Ar)。在太陽平靜期,宇宙線由GCR主導。GCR的主要成分包括:H(約87%),He(約12%)和重核(約1%)。此外,GCR是持續性的,SEP則是零星的,通常產生于太陽活動高年。


      月球作為地球唯一的天然衛星,是人類開展深空探測的前哨站。月球原位探測是一項復雜的系統工程,工程的成功實施依賴于人類在科學和技術上的長期積累,包括對月球表面輻射環境全面且準確的認識。月球表面與地球表面的輻射環境是截然不同的。月面極度接近真空且缺乏全球性偶極磁場的保護而時刻遭受著來自宇宙線的強烈轟擊,因此月球表面的輻射環境由高能離子主導。與之相反,地球表面因受到濃密大氣層和偶極地磁場的保護,高能離子很難到達地球表面,因此地球表面的輻射劑量主要由環境中的天然放射性核素發射的γ射線(能量很高的光子)和低能α粒子(氦核)貢獻。由于月球表面輻射環境非常復雜,除了宇宙線以外,還有宇宙線與月球表面相互作用產生的反照輻射(包括宇宙線與月球表面相互作用產生的次級粒子,如中子和γ射線等),以及月球表面天然放射性核素衰變釋放的γ射線和低能α粒子。宇宙線及其反照粒子會對宇航員和精密儀器的安全構成嚴重的威脅,比如暴露在過量宇宙線中的宇航員患上白內障、癌癥以及中樞神經退化性疾病的風險會增加;儀器暴露在過量宇宙線中,高能帶電粒子可能會使儀器內部一些電導率較低的材料被擊穿而功能失效,從而影響到儀器的正常使用。此外,考慮到月球原位探測高昂的運輸成本,平衡運輸成本與防護措施之間的關系也離不開對月球表面輻射環境的全面和準確認識。


      為探尋月球環境因素,如磁場異常區等,對月球表面宇宙線能譜的影響,研究團隊系統地測量了2019/2020太陽活動極小期月球表面低能宇宙線質子,α粒子,CNO及重離子能譜。通過比較LND和近地航天器(ACE、SOHO和STEREO-A,見圖1)對這些粒子能譜的觀測結果,研究團隊發現在約10至約100 MeV/nuc能量范圍內LND測得的宇宙線能譜與近地航天器的觀測結果是一致的(見圖2至4)。具體而言,對于質子和CNO,LND與近地航天器的觀測結果在誤差范圍內是一致的,粒子通量比的平均值分別為(1.05±0.15)和(1.08±0.16);對于α粒子和重離子,近地航天器與LND的觀測結果在1.7倍標準偏差內相當,粒子通量比的平均值分別為(1.30±0.18)和(1.24±0.21)。據此可以認為月球表面環境因素對這些低能宇宙線能譜的影響可以忽略??紤]到更高能量的宇宙線對月球表面環境因素的敏感程度更低,可以進一步將該結論推廣為:月球表面環境對能量不低于約10 MeV/nuc的宇宙線能譜的影響是可以忽略的。但是,質子和α粒子的通量觀測值與CRèME模型給出的相應預測值之間存在很大差異,特別是質子能譜。LND的質子通量測量值與CRèME96和CRèME2009模型的質子通量預測值之比分別高達(1.69±0.17)和(2.25±0.23)。研究團隊還提取了3He和4He的通量比,發現該比值在約12 MeV/nuc處有顯著增強(見圖5)。此外,月球表面宇宙線能譜的晨昏對稱性也被研究團隊所證實(見圖6)。


      基于上述研究結論:(1)由于宇宙線由質子主導,且LND和近地航天器測得的質子能譜與廣泛使用的CRèME模型給出的預測能譜之間存在顯著差異,這能為CRèME模型的改進提供約束,這些觀測能譜也能為其他相關的理論模型提供檢驗。(2)這些觀測能譜能夠為月球表面宇宙線及與其相關的科學研究提供輸入,進而促進對月球表面的質子、中子和γ發射能譜的理解。(3)LND給出的3He與4He通量比值與GALPROP模型的預測值之間存在顯著差異,該差異能為GALPROP模型的改進提供約束,這些通量比測量值也能為其他相關理論模型提供檢驗。(4)LND對月球表面宇宙線能譜晨昏對稱性的證實將為未來載人登月任務著陸時間和宇航員月球表面出艙活動時間的選擇提供重要的科學指引。


      該項研究獲得了澳門科學技術發展基金(008/2017/AFJ,0042/2018/A2,0002/2019/APD)、國家航天局民用航天技術預研項目(D020101)和國家自然科學基金(11761161001,41941001)等資助。


      原文鏈接:


      Pengwei Luo, Xiaoping Zhang, Shuai Fu, Yong Li, Cunhui Li, and Jinbin Cao, First measurements of low-energy cosmic rays on the surface of the lunar farside from Chang’E-4 mission. Sci. Adv., 8 (2), eabk1760 (2022).


      https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk1760

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