“天問(wèn)一號(hào)”日凌觀測(cè)研究獲進(jìn)展
軍工資源網(wǎng) 2023年01月17日 2021年火星日凌期間（9月下旬到10月中旬），中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)、中科院國(guó)家空間科學(xué)中心、北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院、中科院國(guó)家天文臺(tái)、澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)、歐洲甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量研究所等中外科研機(jī)構(gòu)，利用“天問(wèn)一號(hào)”環(huán)繞器和“火星快車(chē)”軌道器的測(cè)控通信信號(hào)，聯(lián)合開(kāi)展了對(duì)太陽(yáng)的日凌掩星觀測(cè)，取得了重要成果。
“火星日凌”是指地球、火星運(yùn)行至太陽(yáng)兩側(cè)且三者近乎處于一條直線的自然現(xiàn)象（圖1）?；鹦侨樟杵陂g，探測(cè)器向地球測(cè)控站發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)經(jīng)過(guò)臨近太陽(yáng)空間（以下簡(jiǎn)稱(chēng)臨日空間），受太陽(yáng)電磁輻射干擾導(dǎo)致其信號(hào)強(qiáng)度和頻率發(fā)生變化?？茖W(xué)家通過(guò)對(duì)這些影響的研究，可以反演研究太陽(yáng)的活動(dòng)情況。
2021年火星日凌期間，“天問(wèn)一號(hào)”環(huán)繞器和歐洲航天局“火星快車(chē)”軌道器任務(wù)團(tuán)隊(duì)控制兩個(gè)探測(cè)器定期向地球發(fā)射無(wú)線電信號(hào)，多國(guó)科學(xué)家利用國(guó)內(nèi)外十多個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)兩個(gè)探測(cè)器的信號(hào)受太陽(yáng)影響情況。
2021年10月9日，當(dāng)火星投影點(diǎn)（火星在太陽(yáng)附近的投影，圖2）距離日心2.6 Rs（太陽(yáng)半徑）時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)6個(gè)觀測(cè)站接收到“天問(wèn)一號(hào)”“火星快車(chē)”的無(wú)線電信號(hào)頻率出現(xiàn)了最強(qiáng)±20Hz、時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10分鐘的擾動(dòng)。
研究通過(guò)對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的分析發(fā)現(xiàn)，在無(wú)線電信號(hào)傳播過(guò)程中穿越臨日空間時(shí)，該區(qū)域的電子總含量發(fā)生了上千個(gè)TECU（總電子數(shù)單位，1TECU=1016個(gè)電子/平方米）的變化。與大角度分光日冕儀（LASCO）在同一時(shí)期獲取的光學(xué)遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比后，研究發(fā)現(xiàn)此次的電子總含量變化是日冕物質(zhì)拋射（CME）現(xiàn)象所致。CME現(xiàn)象作為太陽(yáng)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(chǎng)的等離子體，且這些等離子體對(duì)信號(hào)的折射與散射效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)頻率產(chǎn)生擾動(dòng)。
由于相同的頻率擾動(dòng)信號(hào)抵達(dá)不同位置測(cè)站的時(shí)間不同，通過(guò)頻率擾動(dòng)信號(hào)與各測(cè)站之間的傳播距離與傳播時(shí)間，可計(jì)算得到CME的等離子體拋射速度，因此多站聯(lián)測(cè)可用來(lái)探討臨日空間太陽(yáng)活動(dòng)的空間傳播情況?！ ?/div>
同時(shí)，在火星投影點(diǎn)附近更小的空間尺度范圍內(nèi)，研究觀測(cè)到因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(dòng)現(xiàn)象，被稱(chēng)為“太陽(yáng)上空飄揚(yáng)的彩帶”，反映了磁場(chǎng)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)等離子體運(yùn)動(dòng)的約束情況。通常情況下，冕流波利用光學(xué)手段通過(guò)日冕儀進(jìn)行觀測(cè)，但受到觀測(cè)背景亮度的限制。研究運(yùn)用射電方法觀測(cè)到背景較暗且光學(xué)手段無(wú)法分辨的冕流波細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，為未來(lái)開(kāi)展冕流波觀測(cè)提供了新方法。
本次觀測(cè)在CME離去時(shí)，探測(cè)到初生高速太陽(yáng)風(fēng)流。初生太陽(yáng)風(fēng)是指剛剛從太陽(yáng)射出的太陽(yáng)風(fēng)。一般認(rèn)為，初生太陽(yáng)風(fēng)是低速的，在距離日心5Rs~20Rs范圍內(nèi)加速后才會(huì)形成高速太陽(yáng)風(fēng)。而本次觀測(cè)在距離日心2.6Rs的位置便發(fā)現(xiàn)了速度高達(dá)上千公里每秒的高速太陽(yáng)風(fēng)現(xiàn)象。研究推測(cè)初生高速太陽(yáng)風(fēng)流可能是受到來(lái)自太陽(yáng)的磁流體動(dòng)力學(xué)波的影響而形成。此次觀測(cè)工作表明，多站觀測(cè)的方法可為探究太陽(yáng)風(fēng)流動(dòng)與磁流體波動(dòng)提供觀測(cè)數(shù)據(jù)支持?！ ?/div>
本工作得益于探測(cè)器射電遙感觀測(cè)方法的高靈敏度，以及多站聯(lián)合觀測(cè)具有的高時(shí)間分辨率和高空間分辨率優(yōu)勢(shì)。該方法可對(duì)原位探測(cè)器無(wú)法進(jìn)入的臨日空間和光學(xué)手段無(wú)法識(shí)別的空間小尺度快速變化現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)，有助于研究人員更加細(xì)致地探索臨日空間環(huán)境及其對(duì)深空通信的影響。
相關(guān)研究成果以Detecting the Oscillation and Propagation of the Nascent Dynamic Solar Wind Structure at 2.6 Solar Radii Using Very Long Baseline Interferometry Radio Telescope（《利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量站測(cè)量2.6個(gè)太陽(yáng)半徑處初生太陽(yáng)風(fēng)的波動(dòng)和傳播》）為題，發(fā)表在The Astrophysical Journal Letters上。
研究工作得到國(guó)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(guó)VLBI網(wǎng)、上海天文臺(tái)VLBI中心、歐洲VLBI觀測(cè)網(wǎng)，以及國(guó)家自然科學(xué)基金、上海天文臺(tái)國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)公共科學(xué)數(shù)據(jù)中心“VLBI月球與深空探測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)”、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。
圖1.日凌期間，地球、火星與太陽(yáng)之間的位置關(guān)系
圖2.火星日凌期間，多個(gè)VLBI測(cè)站對(duì)天問(wèn)一號(hào)和火星快車(chē)進(jìn)行觀測(cè)
（a）天問(wèn)一號(hào)頻率擾動(dòng)變化
（b）火星快車(chē)頻率擾動(dòng)變化
圖3.2021年10月9日，火星投影點(diǎn)距離日心2.6 Rs時(shí)，日冕物質(zhì)拋射引起的天問(wèn)一號(hào)（a）和火星快車(chē)（b）的頻率和載噪比擾動(dòng)變化。Hh：南非哈特比斯特胡克測(cè)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(cè)站、澤連楚克斯卡雅測(cè)站和班達(dá)拉測(cè)站；Yg：澳大利亞亞拉測(cè)站。CME在07:09到達(dá)火星投影點(diǎn)，CME前沿在07:20到達(dá)火星投影點(diǎn)，07:32離去，11:00之后恢復(fù)背景太陽(yáng)風(fēng)狀態(tài)。07:20~07:32之間，頻率擾動(dòng)達(dá)到±20Hz。時(shí)間為世界協(xié)調(diào)時(shí)（UTC）。
左：CME過(guò)火星投影點(diǎn)引起的瞬變太陽(yáng)風(fēng)速度變化及高速流徑向速度變化；右：冕流波速度變化。
圖4.整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中測(cè)量的CME、冕流波和高速流的速度變化。
圖5.冕流波到達(dá)多個(gè)測(cè)站的投影點(diǎn)，以及沿著Hh-Ys方向傳播的高速流示意圖。
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