“天問一號”日凌觀測研究獲進展
軍工資源網 2023年01月17日 2021年火星日凌期間（9月下旬到10月中旬），中國科學院上海天文臺、中科院國家空間科學中心、北京大學地球與空間科學學院、中科院國家天文臺、澳大利亞塔斯馬尼亞大學、歐洲甚長基線干涉測量研究所等中外科研機構，利用“天問一號”環繞器和“火星快車”軌道器的測控通信信號，聯合開展了對太陽的日凌掩星觀測，取得了重要成果。
“火星日凌”是指地球、火星運行至太陽兩側且三者近乎處于一條直線的自然現象（圖1）。火星日凌期間，探測器向地球測控站發射的無線電信號經過臨近太陽空間（以下簡稱臨日空間），受太陽電磁輻射干擾導致其信號強度和頻率發生變化。科學家通過對這些影響的研究，可以反演研究太陽的活動情況。
2021年火星日凌期間，“天問一號”環繞器和歐洲航天局“火星快車”軌道器任務團隊控制兩個探測器定期向地球發射無線電信號，多國科學家利用國內外十多個射電望遠鏡，觀測兩個探測器的信號受太陽影響情況。
2021年10月9日，當火星投影點（火星在太陽附近的投影，圖2）距離日心2.6 Rs（太陽半徑）時，研究發現6個觀測站接收到“天問一號”“火星快車”的無線電信號頻率出現了最強±20Hz、時間長達10分鐘的擾動。
研究通過對擾動信號的分析發現，在無線電信號傳播過程中穿越臨日空間時，該區域的電子總含量發生了上千個TECU（總電子數單位，1TECU=1016個電子/平方米）的變化。與大角度分光日冕儀（LASCO）在同一時期獲取的光學遙感觀測數據對比后，研究發現此次的電子總含量變化是日冕物質拋射（CME）現象所致。CME現象作為太陽上最劇烈的爆發現象之一，可快速拋射大量攜帶有磁場的等離子體，且這些等離子體對信號的折射與散射效應會導致信號頻率產生擾動。
由于相同的頻率擾動信號抵達不同位置測站的時間不同，通過頻率擾動信號與各測站之間的傳播距離與傳播時間，可計算得到CME的等離子體拋射速度，因此多站聯測可用來探討臨日空間太陽活動的空間傳播情況。
同時，在火星投影點附近更小的空間尺度范圍內，研究觀測到因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現象，被稱為“太陽上空飄揚的彩帶”，反映了磁場對太陽風等離子體運動的約束情況。通常情況下，冕流波利用光學手段通過日冕儀進行觀測，但受到觀測背景亮度的限制。研究運用射電方法觀測到背景較暗且光學手段無法分辨的冕流波細節結構，為未來開展冕流波觀測提供了新方法。
本次觀測在CME離去時，探測到初生高速太陽風流。初生太陽風是指剛剛從太陽射出的太陽風。一般認為，初生太陽風是低速的，在距離日心5Rs~20Rs范圍內加速后才會形成高速太陽風。而本次觀測在距離日心2.6Rs的位置便發現了速度高達上千公里每秒的高速太陽風現象。研究推測初生高速太陽風流可能是受到來自太陽的磁流體動力學波的影響而形成。此次觀測工作表明，多站觀測的方法可為探究太陽風流動與磁流體波動提供觀測數據支持。
本工作得益于探測器射電遙感觀測方法的高靈敏度，以及多站聯合觀測具有的高時間分辨率和高空間分辨率優勢。該方法可對原位探測器無法進入的臨日空間和光學手段無法識別的空間小尺度快速變化現象進行觀測，有助于研究人員更加細致地探索臨日空間環境及其對深空通信的影響。
相關研究成果以Detecting the Oscillation and Propagation of the Nascent Dynamic Solar Wind Structure at 2.6 Solar Radii Using Very Long Baseline Interferometry Radio Telescope（《利用甚長基線干涉測量站測量2.6個太陽半徑處初生太陽風的波動和傳播》）為題，發表在The Astrophysical Journal Letters上。
研究工作得到國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研究所、中國VLBI網、上海天文臺VLBI中心、歐洲VLBI觀測網，以及國家自然科學基金、上海天文臺國家基礎科學公共科學數據中心“VLBI月球與深空探測數據庫”、國家重點研發計劃的支持。
圖1.日凌期間，地球、火星與太陽之間的位置關系
圖2.火星日凌期間，多個VLBI測站對天問一號和火星快車進行觀測
（a）天問一號頻率擾動變化
（b）火星快車頻率擾動變化
圖3.2021年10月9日，火星投影點距離日心2.6 Rs時，日冕物質拋射引起的天問一號（a）和火星快車（b）的頻率和載噪比擾動變化。Hh：南非哈特比斯特胡克測站；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站、澤連楚克斯卡雅測站和班達拉測站；Yg：澳大利亞亞拉測站。CME在07:09到達火星投影點，CME前沿在07:20到達火星投影點，07:32離去，11:00之后恢復背景太陽風狀態。07:20~07:32之間，頻率擾動達到±20Hz。時間為世界協調時（UTC）。
左：CME過火星投影點引起的瞬變太陽風速度變化及高速流徑向速度變化；右：冕流波速度變化。
圖4.整個觀測過程中測量的CME、冕流波和高速流的速度變化。
圖5.冕流波到達多個測站的投影點，以及沿著Hh-Ys方向傳播的高速流示意圖。