科研動態 | 嫦娥六號揭示月球上存在太陽風吹起來的負離子

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宇宙中超過99%的可見物質以等離子體形式存在，通常由正離子和電子組成。然而，負離子同樣存在于各類天體物理環境中并發揮重要作用。例如，在太陽外層大氣中，負離子是引起可見光波段不透明度的主導因素。在早期宇宙中，H?離子可通過締合脫附反應快速產生分子氫，促進了第一代恒星的形成。在行星環境中，多個任務曾在彗星、火星的電離層中利用電子探測器間接探測到負離子，證明了負離子是行星電離層的重要組成部分。盡管理論上預期月球環境中也可能存在負離子，但長期以來由于缺乏直接觀測證據，其是否存在以及分布特征是怎樣的一直困擾著人們。

月球是無大氣天體代表，太陽風可直接轟擊月表。近年來研究結果表明，太陽風質子打到月壤后，大部分被注入風化層中，約10%–20%以能量中性原子（ENA）形式散射，約0.1%–1%以正離子形式反射。此外，理論和實驗室研究還預期，部分質子可能在散射過程中捕獲第二個電子形成負離子（H?）。然而，由于光致解吸作用，H?在太陽輻射下極易失去電子而消散，在1AU處的壽命僅約0.07秒，因此難以存活到環月軌道器高度，導致以往的月球軌道探測任務未能捕捉到負離子信號。而月表就位探測可以在負離子產生的源區附近直接測量，是突破這一瓶頸的關鍵手段。嫦娥六號著陸器上搭載了一臺由瑞典空間物理研究所和中國科學院國家空間科學中心聯合研制的負離子分析儀（NILS），這是國際首個地外空間專用負離子探測器，它在兩天觀測時間內獲得了六段有效的H?能譜數據，實現了人類首次在月球表面對負離子的直接探測。

圖1 嫦娥六號NILS儀器觀測示意圖

最近來自中國科學院國家空間科學中心的博士生仲天華、謝良海研究員、張愛兵研究員和王赤院士等人與國內外單位合作，將NILS獲取的H?能譜與ARTEMIS衛星同期觀測的上游太陽風參數進行了系統分析。結果顯示，H?積分通量與太陽風法向通量之間存在強正相關（r=0.87），H?平均能量與太陽風能量同樣呈強正相關（r=0.88）。太陽風通量最高時段的H?通量約為最低時段的三倍。這些結果為其起源于太陽風與月表相互作用提供了直接觀測證據。此外，H?平均能量集中在250–300 eV，說明這些負離子主要由太陽風在月表的散射過程產生。將H?能譜與ENA經驗能譜對比還發現，H?在低能段通量相對更低，這與固體表面負離子出射的速度依賴性理論預測一致，即速度較低的負離子在離開表面時其電子具有更高概率隧穿回表面，導致負離子損失一個電子而被中性化。

圖2 H?能譜及其與太陽風參數的相關性

為評估H?對月球空間環境的影響，本研究進一步利用蒙特卡洛測試粒子模擬揭示了其空間分布特征。在向陽面，由于光致解吸效應，H?被限制在緊貼月球表面的薄層內，密度隨高度迅速衰減，50公里以上降至10? m?3以下。在背陽面，由于該區域處于月球陰影區內無太陽光照，光致解吸效應消失，H?被電磁場拾起后可形成延伸數個月球半徑的長負離子尾。這一新發現的帶電粒子組分可參與填充月球尾跡區的等離子體空腔。在極端太陽風密度事件期間，H?密度可比正常條件高出10倍以上，其可能對月球空間環境帶來顯著影響，比如產生一些等離子體波動等。

圖3 不同太陽風條件下H?密度的模擬空間分布

除了對等離子體環境的直接影響外，負離子還可能通過化學反應產生分子氫（H?）或羥基（OH），從而為月球外逸層和月表水提供潛在的新來源。此外，考慮到月壤的多孔結構，從一個顆粒出射的H?可能轟擊相鄰顆粒并向其注入電子，促進局部還原反應，可能對納米鐵的形成有一定貢獻。這些發現還可推廣到其他無大氣天體。在離太陽更遠的天體環境中，如土星和木星的冰衛星，太陽輻射更弱，負離子可擁有更長的存活時間和更高的濃度，可能扮演更加重要的角色。

該研究利用嫦娥六號NILS的首次月表負離子觀測數據，發現了H?通量和能量與太陽風參數的強相關性，為月表H?起源于太陽風散射過程提供了直接觀測證據。結合測試粒子模擬，揭示了月球向陽面存在負離子層、背陽面形成負離子尾的空間結構特征。這些結果大大提高了人們對月球等離子體環境的認識，并為研究月表太空風化以及外逸層提供了新的視角，同時也為研究其他無大氣天體的負離子產生機制和分布特征提供了重要參考。

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