8年觀測，“悟空”識破宇宙線電子“感冒”之謎 | 科技前線

近日，中國科學院紫金山天文臺利用“悟空”號衛(wèi)星8年的觀測數據，精確測量了8次正負電子福布斯下降效應，首次統(tǒng)計性揭示了正負電子流量在下降以及恢復階段的行為特性，并闡明其與引發(fā)福布斯下降的日冕物質拋射物理參數的關聯(lián)。

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什么是福布斯下降？

太陽離地球有1.5億公里遠，但它的一舉一動卻能影響地球附近的空間環(huán)境。當太陽突然“打個噴嚏”，也就是發(fā)生劇烈的日冕物質拋射時，一團攜帶著強磁場的等離子體云就會以每秒幾百甚至上千公里的速度沖向行星際空間。

這些等離子體團掃過地球時，會擾動原本相對平靜的磁環(huán)境，讓來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到正常水平。

這種先降后升的現象，科學家稱之為福布斯下降，該現象是研究太陽活動與宇宙線傳播關系的重要手段。

▲日冕物質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

以往的觀測手段存在“偏科”——絕大多數數據來自地面的中子探測器。這類設備主要捕捉宇宙線中強子成分（如質子、原子核），無法識別具體粒子種類且能量分辨能力較差。

“悟空”號自2015年底發(fā)射升空以來，已在軌運行超過10年。它的能量分辨率高、粒子鑒別本領強、有效接收度大，尤其在正負電子的觀測上具有優(yōu)勢。宇宙線中哪些是電子、哪些是質子、哪些是重核，“悟空”能分得清清楚楚；帶電粒子能量多少，“悟空”也能測得很準。

利用2016年至2024年的觀測數據，紫金山天文臺“悟空”號國際合作團隊成功識別出8次清晰的正負電子福布斯下降事件，這是首次系統(tǒng)性地研究正負電子福布斯下降行為。

▲“悟空”號衛(wèi)星觀測的2021年11月4日福布斯下降事件4個能段正負電子流量隨時間的變化（藍點），與“悟空”號衛(wèi)星無觸發(fā)計數率（綠點），以及中子探測器數據（紅點）的比較。

研究發(fā)現，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，其恢復時間明顯依賴能量，能量越高的電子，恢復得越快，反之則越慢。另一部分事件，不論粒子能量高低，其恢復時間幾乎不隨能量變化。

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快慢為何不同？

為什么會出現截然不同的恢復行為？研究團隊進一步分析了引發(fā)這些事件的日冕物質拋射的物理參數，包括拋射速度、角寬度，以及拋射方向相對于地球的幾何位置。

結果發(fā)現，那些恢復時間隨能量變化的事件，往往對應著速度較快、角寬度較大、正對地球的日冕物質拋射；而恢復時間不隨能量變化的事件，則來自速度較慢、角寬度較小、偏向地球一側拋射的日冕物質拋射。

為了驗證這個發(fā)現，研究團隊利用宇宙線在日球層內傳播的數值模擬工具，定量重現了觀測結果。模擬與觀測吻合良好，證實了物理關聯(lián)的可靠性。

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解鎖新認知

這一研究為理解宇宙線在行星際空間中的短時標傳播過程提供了全新的觀測約束。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”，可以幫助科學家追蹤行星際空間磁湍流的變化特征。

該研究對于空間天氣預報也有潛在價值。日冕物質拋射不僅會引起福布斯下降，還會觸發(fā)地磁暴、電離層擾動等空間災害性天氣，可能影響衛(wèi)星運行、通信導航甚至地面電網。更好地理解福布斯下降的物理機制，有助于提升空間天氣的預警能力。

太陽的活動還在繼續(xù)，“悟空”號衛(wèi)星也仍在持續(xù)運行。未來，隨著更多福布斯下降事件被記錄和分析，人類對太陽-行星際-地球空間耦合過程的理解將越來越深入。下一次太陽“打噴嚏”的時候，“悟空”的火眼金睛，還會看到什么？我們拭目以待。

來源：中國科學院紫金山天文臺

責任編輯：曹旸