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　　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(xiàn)通量和能譜。研究成果于北京時(shí)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(xiàn)發(fā)表在著(zhù)名國際學(xué)術(shù)期刊《Science Advances》上。該論文的第一作者是澳門(mén)科技大學(xué)月球與行星科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)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(shí)驗室的傅帥和李勇博士以及蘭州空間技術(shù)物理研究所李存惠高級工程師和北京航空航天大學(xué)曹晉濱教授。

　　圖1：在CE-4/LND開(kāi)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(guān)系圖。ARTEMIS任務(wù)由兩個(gè)完全相同的航天器P1和P2組成，它們在環(huán)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(xiàn)能譜。(A) 質(zhì)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A(yíng)CE上。

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

　　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(xiàn)強烈地影響著(zhù)空間環(huán)境，深入了解宇宙線(xiàn)的成分及能譜，有助于更好地評估空間環(huán)境中的輻射水平，這對于人類(lèi)的深空探測活動(dòng)具有重要意義。宇宙線(xiàn)主要包含三種類(lèi)型：太陽(yáng)高能粒子(SEP)，銀河宇宙線(xiàn)(GCR)和異常宇宙線(xiàn)(ACR)。SEP源于太陽(yáng)，通常產(chǎn)生于太陽(yáng)活躍期，伴隨著(zhù)太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射事件的發(fā)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(fā)，但不排除超高能量粒子來(lái)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(zhì)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(zhì)子(H)、氦(He)、氮(N)、氧(O)、氖(Ne)和氬(Ar)。在太陽(yáng)平靜期，宇宙線(xiàn)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(chǎn)生于太陽(yáng)活動(dòng)高年。

　　月球作為地球唯一的天然衛星，是人類(lèi)開(kāi)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(shí)施依賴(lài)于人類(lèi)在科學(xué)和技術(shù)上的長(cháng)期積累，包括對月球表面輻射環(huán)境全面且準確的認識。月球表面與地球表面的輻射環(huán)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(chǎng)的保護而時(shí)刻遭受著(zhù)來(lái)自宇宙線(xiàn)的強烈轟擊，因此月球表面的輻射環(huán)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(chǎng)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(huán)境中的天然放射性核素發(fā)射的γ射線(xiàn)(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(huán)境非常復雜，除了宇宙線(xiàn)以外，還有宇宙線(xiàn)與月球表面相互作用產(chǎn)生的反照輻射(包括宇宙線(xiàn)與月球表面相互作用產(chǎn)生的次級粒子，如中子和γ射線(xiàn)等)，以及月球表面天然放射性核素衰變釋放的γ射線(xiàn)和低能α粒子。宇宙線(xiàn)及其反照粒子會(huì )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(guò)量宇宙線(xiàn)中的宇航員患上白內障、癌癥以及中樞神經(jīng)退化性疾病的風(fēng)險會(huì )增加;儀器暴露在過(guò)量宇宙線(xiàn)中，高能帶電粒子可能會(huì )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(guān)系也離不開(kāi)對月球表面輻射環(huán)境的全面和準確認識。

　　為探尋月球環(huán)境因素，如磁場(chǎng)異常區等，對月球表面宇宙線(xiàn)能譜的影響，研究團隊系統地測量了2019/2020太陽(yáng)活動(dòng)極小期月球表面低能宇宙線(xiàn)質(zhì)子，α粒子，CNO及重離子能譜。通過(guò)比較LND和近地航天器(ACE、SOHO和STEREO-A，見(jiàn)圖1)對這些粒子能譜的觀(guān)測結果，研究團隊發(fā)現在約10至約100 MeV/nuc能量范圍內LND測得的宇宙線(xiàn)能譜與近地航天器的觀(guān)測結果是一致的(見(jiàn)圖2至4)。具體而言，對于質(zhì)子和CNO，LND與近地航天器的觀(guān)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(guān)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(huán)境因素對這些低能宇宙線(xiàn)能譜的影響可以忽略。考慮到更高能量的宇宙線(xiàn)對月球表面環(huán)境因素的敏感程度更低，可以進(jìn)一步將該結論推廣為：月球表面環(huán)境對能量不低于約10 MeV/nuc的宇宙線(xiàn)能譜的影響是可以忽略的。但是，質(zhì)子和α粒子的通量觀(guān)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(zhì)子能譜。LND的質(zhì)子通量測量值與CRèME96和CRèME2009模型的質(zhì)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(fā)現該比值在約12 MeV/nuc處有顯著(zhù)增強(見(jiàn)圖5)。此外，月球表面宇宙線(xiàn)能譜的晨昏對稱(chēng)性也被研究團隊所證實(shí)(見(jiàn)圖6)。

　　基于上述研究結論：(1)由于宇宙線(xiàn)由質(zhì)子主導，且LND和近地航天器測得的質(zhì)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(zhù)差異，這能為CRèME模型的改進(jìn)提供約束，這些觀(guān)測能譜也能為其他相關(guān)的理論模型提供檢驗。(2)這些觀(guān)測能譜能夠為月球表面宇宙線(xiàn)及與其相關(guān)的科學(xué)研究提供輸入，進(jìn)而促進(jìn)對月球表面的質(zhì)子、中子和γ發(fā)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(zhù)差異，該差異能為GALPROP模型的改進(jìn)提供約束，這些通量比測量值也能為其他相關(guān)理論模型提供檢驗。(4)LND對月球表面宇宙線(xiàn)能譜晨昏對稱(chēng)性的證實(shí)將為未來(lái)載人登月任務(wù)著(zhù)陸時(shí)間和宇航員月球表面出艙活動(dòng)時(shí)間的選擇提供重要的科學(xué)指引。

　　該項研究獲得了澳門(mén)科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金(008/2017/AFJ，0042/2018/A2，0002/2019/APD)、國家航天局民用航天技術(shù)預研項目(D020101)和國家自然科學(xué)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