科學家揭示太陽風與小行星相互作用新特徵

近年來，小行星、彗星等已成為人類太空探索的熱點。一方面，小行星和彗星保留了太陽系形成之初物質，可為研究太陽系和生命的起源提供線索。另一方面，近地小行星會對地球安全帶來威脅，因而人們需要詳查它們在太空中的分佈和軌道特徵。中國的天問二號任務將對469219號近地小行星（Kamo`oalewa 臨時編號 2016 HO3）進行採樣返回、對主帶的泛星彗星（311P/ PanSTARRS）進行繞飛研究，獲取它們的軌道參數、表面物質組成、磁化強度、內部結構以及周圍的太空環境特徵等，為探究小行星形成演化和表面物質遷移過程提供數據資料。

由於觀測數據匱乏，目前人們對這些小行星周圍的太空環境知之甚少，這將對近距離探測小行星特別是進行採樣操作帶來安全隱患。對於469219號近地小行星而言，它的表面在太陽光照和太陽風轟擊作用下帶電。由於尺寸小，469219號近地小行星表面可能會帶較強電場，在表面採樣帶來放電風險。同時，469219號近地小行星代表的是一類無大氣天體，與太陽風相互作用並在背陽面形成尾跡結構。類似的尾跡也存在於月球上，但469219號近地小行星尺寸只有月球千份之幾，它的尾跡可能有不同於月球尾跡的新特徵。

中國科學院國家太間科學中心太陽活動與太空天氣重點實驗室副研究員謝良海建立太陽風與469219號近地小行星相互作用的立體模型，用於定量分析469219號近地小行星周圍電場和等離子體特徵。研究發現，469219號近地小行星表面電勢最高出現在日下點附近，可達+12V，背陽面最低電勢約為-35V，對應的向陽面電場約為+2V/m，背陽面電勢約為-5V /m。最大電場出現在晨昏線附近，可大於10V/m。此外，研究分析不同自轉狀態下的情況發現，當469219號近地小行星長軸和太陽風垂直時產生的電勢大小及空間範圍最大，其晨昏線附近電場可達20V/m。

該研究對不同太陽風條件下的帶電特徵進行研究發現，太陽風速度會造成向陽面電勢增加，太陽風溫度會造成背陽面電勢減少。此外，在向陽面光電離作用占主導，在近表面附近會形成光電子鞘層，電子密度最高可達10⁷mᐨ³。在背陽面，由於太陽風離子受到469219號近地小行星阻擋和吸收，形成一個低密度空腔，密度可低於1mᐨ³。周圍太陽風離子會試圖填充密度空腔，帶來往里傳播的壓縮波和往外傳播的稀疏波，最終在太陽風對流作用下，形成錐形的尾跡結構。

關於月球上的類似尾跡結構已有研究，並已建立自相似等離子體擴散理論（self-similar plasma expansion theory）。該理論主要考慮熱運動和雙極擴散電場對離子填充的作用，得到的錐角大小取決於離子聲速和太陽風速度的比值。該理論能夠較好地解釋觀測到的月球尾跡結構，並已大量用於研究其他無大氣天體的尾跡結構。然而，該研究發現模擬得到469219號近地小行星尾跡錐角大小整體比理論模型值大，特別是除離子聲速和太陽風速度，錐角還會隨太陽風密度變化。基於此，該研究提出除了熱運動和雙極擴散，背陽面的表面負電也會加速太陽風離子向密度空腔的填充，並帶來較快的填充速度以及較大的尾跡錐角。在月球上由於表面等離子鞘比尾跡尺寸小，其表面電場的作用不明顯。而對於469219號近地小行星而言，其表面等離子鞘的厚度與尾跡橫向尺度相當，因此表面電場的作用變得更重要。

採樣過程表面電位差控制以及太空環境探測方案的製定提供了依據。此外，該研究發現新的尾跡形成理論，提升了人們對太陽風與小行星和彗星相互作用的認知。上述成果對探究其它無大氣天體的太空環境具有重要參考意義。

【圖：中國科學院國家太空科學中心；文：節錄自科學網頁；新聞資訊由林景明提供】研究全文刊登在2023年7月18日出版的《天體物理學報》期刊；標題是：Three-dimensional Particle-in-cell Simulations of the Solar Wind Interaction with Asteroid 2016 HO3