近期，在國(guó)家航天局支持下，中外科學(xué)家利用我國(guó)“天問一號(hào)”環(huán)繞器、歐空局“火星快車”軌道器在火星日凌期間測(cè)控通信信號(hào)，獲得重要研究成果。2022年12月，該成果發(fā)表在天文學(xué)領(lǐng)域國(guó)際專業(yè)期刊《The Astrophysical Journal Letters》，通訊作者為中科院上海天文臺(tái)的馬茂莉和澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)的Guifré Molera Calvés。

圖1 日凌期間，地球、火星與太陽(yáng)之間的位置關(guān)系

火星日凌是指地球、火星運(yùn)行至太陽(yáng)兩側(cè)且三者近乎處于一條直線的自然現(xiàn)象（如圖1所示）?；鹦侨樟杵陂g，探測(cè)器向地球測(cè)控站發(fā)射的無線電信號(hào)經(jīng)過臨近太陽(yáng)空間（以下簡(jiǎn)稱臨日空間），受太陽(yáng)電磁輻射干擾，導(dǎo)致其信號(hào)強(qiáng)度和頻率發(fā)生變化?？茖W(xué)家通過對(duì)這些影響的研究，可以反演研究太陽(yáng)的活動(dòng)情況。2021年9月下旬到10月中旬的火星日凌期間，“天問一號(hào)”環(huán)繞器和歐空局“火星快車”軌道器任務(wù)團(tuán)隊(duì)控制兩個(gè)探測(cè)器定期向地球發(fā)射無線電信號(hào)，多國(guó)科學(xué)家利用國(guó)內(nèi)外十多個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡，對(duì)兩個(gè)探測(cè)器的信號(hào)受太陽(yáng)影響情況進(jìn)行了觀測(cè)，獲取大量數(shù)據(jù)。

圖2 火星日凌期間，多個(gè)VLBI測(cè)站對(duì)“天問一號(hào)”和“火星快車”進(jìn)行觀測(cè)

2021年10月9日，當(dāng)火星投影點(diǎn)（火星在太陽(yáng)附近的投影，見圖2所示）距離日心2.6 Rs（太陽(yáng)半徑）時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)，6個(gè)觀測(cè)站接收到“天問一號(hào)”環(huán)繞器與“火星快車”軌道器的無線電信號(hào)頻率出現(xiàn)了最強(qiáng)±20Hz、時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10分鐘的擾動(dòng)。

通過對(duì)擾動(dòng)信號(hào)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，在無線電信號(hào)傳播過程中穿越臨日空間時(shí)，該區(qū)域的電子總含量發(fā)生了上千個(gè)TECU（總電子數(shù)單位，1TECU=1016個(gè)電子/平方米）的變化。經(jīng)過與大角度分光日冕儀(LASCO)在同一時(shí)期獲取的光學(xué)遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，此次的電子總含量變化是由于日冕物質(zhì)拋射(CME)現(xiàn)象引起的。CME現(xiàn)象作為太陽(yáng)上最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象之一，可快速拋射大量攜帶有磁場(chǎng)的等離子體，這些等離子體對(duì)信號(hào)的折射與散射效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)頻率產(chǎn)生擾動(dòng)。

由于相同的頻率擾動(dòng)信號(hào)抵達(dá)不同位置測(cè)站的時(shí)間不同，通過頻率擾動(dòng)信號(hào)與各測(cè)站之間的傳播距離與傳播時(shí)間，可計(jì)算得到CME的等離子體拋射速度，因此多站聯(lián)測(cè)可以用來研究臨日空間太陽(yáng)活動(dòng)的空間傳播情況。

(a)“天問一號(hào)”頻率擾動(dòng)變化

（b）火星快車頻率擾動(dòng)變化
圖3  2021年10月9日，火星投影點(diǎn)距離日心2.6 Rs時(shí)，日冕物質(zhì)拋射引起的“天問一號(hào)”(a)和“火星快車”(b)的頻率和載噪比擾動(dòng)變化。Hh：南非哈特比斯特胡克測(cè)站；Ys：西班牙耶韋斯站；Mc:意大利梅迪奇納站；Sv、Zc和Bd：俄羅斯的斯韋特拉耶測(cè)站、澤連楚克斯卡雅測(cè)站和班達(dá)拉測(cè)站；Yg: 澳大利亞亞拉測(cè)站。CME在07:09到達(dá)火星投影點(diǎn)，CME前沿在07:20到達(dá)火星投影點(diǎn)，07:32離去，11:00之后恢復(fù)背景太陽(yáng)風(fēng)狀態(tài)。07:20~07:32之間，頻率擾動(dòng)達(dá)到±20Hz。時(shí)間為世界協(xié)調(diào)時(shí)(UTC)。

同時(shí)，在火星投影點(diǎn)附近更小的空間尺度范圍內(nèi)，觀測(cè)到了因CME與冕流相互作用引起的冕流波。冕流波是一種大尺度日冕波動(dòng)現(xiàn)象，又被稱為“太陽(yáng)上空飄揚(yáng)的彩帶”，反映了磁場(chǎng)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)等離子體運(yùn)動(dòng)的約束情況。通常情況下，冕流波是利用光學(xué)手段通過日冕儀進(jìn)行觀測(cè)，但會(huì)受到觀測(cè)背景亮度的限制。此次，通過射電方法觀測(cè)到了背景較暗且光學(xué)手段無法分辨的冕流波細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，為未來開展冕流波觀測(cè)提供了一種新方法。

本次觀測(cè)還在CME離去時(shí)探測(cè)到初生高速太陽(yáng)風(fēng)流。初生太陽(yáng)風(fēng)指剛剛從太陽(yáng)射出的太陽(yáng)風(fēng)。一般認(rèn)為初生太陽(yáng)風(fēng)是低速的，在距離日心5Rs~20Rs范圍內(nèi)加速后才會(huì)形成高速太陽(yáng)風(fēng)。而本次觀測(cè)在距離日心2.6Rs的位置就發(fā)現(xiàn)了速度高達(dá)每秒上千公里的高速太陽(yáng)風(fēng)現(xiàn)象。研究人員推測(cè)，初生高速太陽(yáng)風(fēng)流可能是受到了來自太陽(yáng)的磁流體動(dòng)力學(xué)波的影響而形成的。這次觀測(cè)工作也表明，通過多站觀測(cè)的方法，可以為科研人員研究太陽(yáng)風(fēng)流動(dòng)與磁流體波動(dòng)提供觀測(cè)數(shù)據(jù)支持。

左：CME過火星投影點(diǎn)引起的瞬變太陽(yáng)風(fēng)速度變化及高速流徑向速度變化；右：冕流波速度變化

圖6 冕流波到達(dá)多個(gè)測(cè)站的投影點(diǎn)，及沿著Hh-Ys方向傳播的高速流示意圖

本項(xiàng)工作得益于探測(cè)器射電遙感觀測(cè)方法的高靈敏度，以及多站聯(lián)合觀測(cè)具有的高時(shí)間分辨率和高空間分辨率優(yōu)勢(shì)。該方法可以對(duì)原位探測(cè)器無法進(jìn)入的臨日空間和光學(xué)手段無法識(shí)別的空間小尺度快速變化現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)，有助于研究人員更加細(xì)致地研究臨日空間環(huán)境及其對(duì)深空通信的影響。

該項(xiàng)工作得到國(guó)家航天局探月與航天工程中心、北京航天飛行控制中心、北京跟蹤與通信技術(shù)研究所、中國(guó)VLBI觀測(cè)網(wǎng)和歐洲VLBI觀測(cè)網(wǎng)的大力支持，以及國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)公共科學(xué)數(shù)據(jù)中心“VLBI月球與深空探測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)”、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。