空間中心揭示太陽風與月面相互作用能量特征

月球是無大氣天體代表。月球表面沒有濃密大氣和全球性磁場保護。來自周圍空間的各種輻射粒子可以直接與月表相互作用，并引起月壤物理和化學屬性改變，即太空風化效應。在月球繞地球公轉過程中，約有四分之三時間在太陽風中，因此太陽風是月球主要的空間粒子源。在太陽風與月壤相互作用過程中，約有0.1%-1%的太陽風質子直接以質子形式被散射，10%-20%的太陽風質子在與月壤相互作用的過程中捕獲一個電子以能量中性原子（Energetic Neutral Atom，ENA）的形式被散射，其余大部分太陽風質子會植入到月壤風化層中。這些植入粒子一方面會產生OH/H₂O、納米鐵等，是月表風化和水的主要來源之一；另一方面會將月面的固體成分濺射出來，且濺射出的原子被認為是月球氣體外逸層的主要來源之一。因此，研究太陽風-月面相互作用過程，可以幫助科學家剖析月面太空風化、月球水和氣體的產生和遷移，為探討月表物質、太陽風和地球風的演化歷史提供線索，并為研究空間等離子體與其他無大氣天體（如水星、小行星、木星冰衛星）的相互作用提供重要參考。

太陽風與月表相互作用可分為太陽風散射、濺射以及植入三個物理過程。由于在月表散射的大部分太陽風是ENA的形式，散射ENA能量特征蘊含了太陽風質子在月壤中傳輸過程的豐富信息，使得我們可推斷太陽風注入深度等重要參數。可以說，ENA觀測是我們了解太陽風月面相互作用的實時窗口。然而，以往月球ENA觀測主要來自繞月飛行的軌道器（如月船一號和星際邊界探測器衛星），其離月面有幾十到上百公里距離，且能量分辨率較低，月面ENA的真實情況仍不清楚。嫦娥四號是人類首個著陸在月球背面的探測器。嫦娥四號攜帶的中性原子探測儀（ASAN）可實現月表ENA的就位測量，同時相比以往軌道器載荷具有更高的能量分辨能力（圖1）。中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室博士研究生仲天華、副研究員謝良海、中國科學院院士王赤等，與國內外單位合作，在消除了低能量段污染、磁異常遮擋等影響因素后，發現了ASAN測得的ENA能量和太陽風能量具有很好相關性（相關系數達0.9165）。此外，該研究還分析了ENA能量損失率隨太陽風能量以及太陽天頂角的變化關系，發現隨著太陽風能量變大或太陽天頂角變小，ENA能量損失率越高（圖2）。上述成果是以往軌道器觀測未能看到的新現象。

為了解釋觀測現象，該研究利用SDTrimSP軟件對太陽風與月面相互作用進行了數值模擬。模擬結果顯示，在太陽風質子與月壤相互作用的過程中，能量損失分為電子損失項和核碰撞損失項兩部分。其中，電子損失項起主導作用。而通過電子損失項損失的能量被認為和太陽風質子在月壤中移動的路徑長度成正比。研究通過數值模擬發現，隨著太陽風能量變高或太陽天頂角變小，太陽風質子會有更大的注入路徑長度與注入深度（圖3），導致更大的能量損失率，從而解釋了觀測現象。

上述研究預示著由于注入深度和路徑長度的變化，太陽風入射能量及入射角度是影響月表太空風化效應以及月表水產率的重要因素。以往遙感結果發現，月球表面光譜特征有緯度依賴性而被歸因于太陽風數通量隨緯度的變化所致。本研究表明不同太陽風入射角帶來的不同注入深度也是影響因素之一。此外，月面磁異常附近有光譜特征異常的漩渦結構，曾被歸因于磁異常遮擋太陽風造成數通量降低。然而，近期相關模擬結果顯示磁異常對太陽風數通量的屏蔽效應并不明顯，而主要是對太陽風能量造成減速，因此漩渦結構的空間位形與太陽風能通量相關性更好。從實驗室模擬角度，有研究發現羥基產率會隨氫離子注入能量和通量增加而升高。而當通量高過一定臨界值，羥基產率只依賴于注入氫能量而不是通量。這是由于礦物表層給定深度羥基產率會飽和，之后更高的注入能量帶來的更大注入深度才會增加羥基產率。考慮飽和效應，太陽風注入深度將是影響太空風化過程和月表水產生率的重要因素。

該研究利用嫦娥四號就位ENA觀測數據，首次揭示了月表ENA能量與太陽風能量及天頂角關系，并結合數值模擬證明了太陽風入射能量及入射角度對太陽風注入深度的影響。這一成果可為月面太空風化及太陽風成因水研究提供重要依據和約束。同時，該成果可被廣泛應用于研究其他無大氣天體（水星、冰衛星、小行星等）與周圍空間粒子的相互作用。

相關研究成果發表在《天體物理學雜志快報》（The Astrophysical Journal Letters）上。