8年觀測(cè)，“悟空”識(shí)破宇宙線電子“感冒”之謎 | 科技前線

近日，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)利用“悟空”號(hào)衛(wèi)星8年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，精確測(cè)量了8次正負(fù)電子福布斯下降效應(yīng)，首次統(tǒng)計(jì)性揭示了正負(fù)電子流量在下降以及恢復(fù)階段的行為特性，并闡明其與引發(fā)福布斯下降的日冕物質(zhì)拋射物理參數(shù)的關(guān)聯(lián)。

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什么是福布斯下降？

太陽(yáng)離地球有1.5億公里遠(yuǎn)，但它的一舉一動(dòng)卻能影響地球附近的空間環(huán)境。當(dāng)太陽(yáng)突然“打個(gè)噴嚏”，也就是發(fā)生劇烈的日冕物質(zhì)拋射時(shí)，一團(tuán)攜帶著強(qiáng)磁場(chǎng)的等離子體云就會(huì)以每秒幾百甚至上千公里的速度沖向行星際空間。

這些等離子體團(tuán)掃過(guò)地球時(shí)，會(huì)擾動(dòng)原本相對(duì)平靜的磁環(huán)境，讓來(lái)自深空的宇宙線粒子流量突然下降，也讓宇宙線電子“感冒”——電子流量快速下降，直到幾天甚至幾周后才恢復(fù)到正常水平。

這種先降后升的現(xiàn)象，科學(xué)家稱之為福布斯下降，該現(xiàn)象是研究太陽(yáng)活動(dòng)與宇宙線傳播關(guān)系的重要手段。

▲日冕物質(zhì)拋射及其阻礙宇宙線傳播影響的示意圖

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“悟空”捕捉8次驟降

以往的觀測(cè)手段存在“偏科”——絕大多數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)自地面的中子探測(cè)器。這類設(shè)備主要捕捉宇宙線中強(qiáng)子成分（如質(zhì)子、原子核），無(wú)法識(shí)別具體粒子種類且能量分辨能力較差。

“悟空”號(hào)自2015年底發(fā)射升空以來(lái)，已在軌運(yùn)行超過(guò)10年。它的能量分辨率高、粒子鑒別本領(lǐng)強(qiáng)、有效接收度大，尤其在正負(fù)電子的觀測(cè)上具有優(yōu)勢(shì)。宇宙線中哪些是電子、哪些是質(zhì)子、哪些是重核，“悟空”能分得清清楚楚；帶電粒子能量多少，“悟空”也能測(cè)得很準(zhǔn)。

利用2016年至2024年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，紫金山天文臺(tái)“悟空”號(hào)國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)成功識(shí)別出8次清晰的正負(fù)電子福布斯下降事件，這是首次系統(tǒng)性地研究正負(fù)電子福布斯下降行為。

▲“悟空”號(hào)衛(wèi)星觀測(cè)的2021年11月4日福布斯下降事件4個(gè)能段正負(fù)電子流量隨時(shí)間的變化（藍(lán)點(diǎn)），與“悟空”號(hào)衛(wèi)星無(wú)觸發(fā)計(jì)數(shù)率（綠點(diǎn)），以及中子探測(cè)器數(shù)據(jù)（紅點(diǎn)）的比較。

研究發(fā)現(xiàn)，這些福布斯下降事件并非千篇一律，而是存在顯著的多樣性。一部分事件，其恢復(fù)時(shí)間明顯依賴能量，能量越高的電子，恢復(fù)得越快，反之則越慢。另一部分事件，不論粒子能量高低，其恢復(fù)時(shí)間幾乎不隨能量變化。

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快慢為何不同？

為什么會(huì)出現(xiàn)截然不同的恢復(fù)行為？研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析了引發(fā)這些事件的日冕物質(zhì)拋射的物理參數(shù)，包括拋射速度、角寬度，以及拋射方向相對(duì)于地球的幾何位置。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，那些恢復(fù)時(shí)間隨能量變化的事件，往往對(duì)應(yīng)著速度較快、角寬度較大、正對(duì)地球的日冕物質(zhì)拋射；而恢復(fù)時(shí)間不隨能量變化的事件，則來(lái)自速度較慢、角寬度較小、偏向地球一側(cè)拋射的日冕物質(zhì)拋射。

為了驗(yàn)證這個(gè)發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)利用宇宙線在日球?qū)觾?nèi)傳播的數(shù)值模擬工具，定量重現(xiàn)了觀測(cè)結(jié)果。模擬與觀測(cè)吻合良好，證實(shí)了物理關(guān)聯(lián)的可靠性。

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解鎖新認(rèn)知

這一研究為理解宇宙線在行星際空間中的短時(shí)標(biāo)傳播過(guò)程提供了全新的觀測(cè)約束。不同能量的電子在福布斯下降中的行為差異，就像一把天然的“探針”，可以幫助科學(xué)家追蹤行星際空間磁湍流的變化特征。

該研究對(duì)于空間天氣預(yù)報(bào)也有潛在價(jià)值。日冕物質(zhì)拋射不僅會(huì)引起福布斯下降，還會(huì)觸發(fā)地磁暴、電離層擾動(dòng)等空間災(zāi)害性天氣，可能影響衛(wèi)星運(yùn)行、通信導(dǎo)航甚至地面電網(wǎng)。更好地理解福布斯下降的物理機(jī)制，有助于提升空間天氣的預(yù)警能力。

太陽(yáng)的活動(dòng)還在繼續(xù)，“悟空”號(hào)衛(wèi)星也仍在持續(xù)運(yùn)行。未來(lái)，隨著更多福布斯下降事件被記錄和分析，人類對(duì)太陽(yáng)-行星際-地球空間耦合過(guò)程的理解將越來(lái)越深入。下一次太陽(yáng)“打噴嚏”的時(shí)候，“悟空”的火眼金睛，還會(huì)看到什么？我們拭目以待。

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)

責(zé)任編輯：曹旸