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月球軟X射線成像儀對地球磁層的全景觀測—— | |SCES封面文章

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心王赤院士團隊提出，以月球科研站為平臺，配置寬視場、高分辨率的軟X射線成像儀，實現(xiàn)地球磁層全景成像

太陽活動是影響地球空間天氣的重要驅(qū)動因素。太陽風(fēng)擠壓或拉伸地球磁層，與近地空間環(huán)境耦合，引起地磁擾動和帶電粒子劇烈變化，嚴(yán)重干擾地球通信、導(dǎo)航和空間技術(shù)系統(tǒng)的正常運行，危及人類空間活動。從全球視角觀察地球磁層，可以提高人們對太陽風(fēng)-磁層相互作用動態(tài)過程的認(rèn)識。月基軟X射線成像儀(Lunar-based Soft X-ray Imager, 簡稱“LSXI”)將首次通過對弓激波、磁鞘區(qū)、磁層頂和極尖區(qū)等區(qū)域的同時連續(xù)觀測，監(jiān)測太陽風(fēng)作用下的空間天氣演化過程。

該研究相關(guān)論文題為“用于地球磁層的月球軟x射線成像儀(lsxi)”，是一篇 《中國科學(xué)：地球科學(xué)》 2021年第7期封面文章(圖1)，由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心王馳院士擔(dān)任通訊員。研究人員提出部署具有寬視場、高分辨率觀測能力的軟X射線成像儀，即——月球基軟X射線成像儀，實現(xiàn)地球磁層全景成像。

圖1《中國科學(xué)地球科學(xué)》2021年第7期《中國科學(xué)：地球科學(xué)》封面

在過去的半個世紀(jì)里，依靠磁層觀測衛(wèi)星，我們對磁層的結(jié)構(gòu)和物理演化有了革命性的認(rèn)識。目前我們的認(rèn)知主要來自衛(wèi)星的原位觀測和相關(guān)的理論模型。例如，像星團和雙星這樣的任務(wù)提供了關(guān)于磁層等離子體的重要信息。但由于探測點數(shù)量有限，很難全面揭示相關(guān)物理過程。

近年來，一種新的軟X線成像技術(shù)引起了研究人員的關(guān)注，其成像原理受到龍蝦眼結(jié)構(gòu)的啟發(fā)(圖2、圖3)。這種新型成像儀是一種具有光譜分辨率的寬視場軟X射線望遠(yuǎn)鏡。未來，這項技術(shù)將成為研究地球空間環(huán)境的有力工具。

圖2月基軟X射線成像儀光學(xué)設(shè)計

圖3龍蝦眼結(jié)構(gòu)成像原理(a)及焦平面散射圖分布(b)

在成功實施探月工程的前三項任務(wù)后，中國正在制定第四項任務(wù)的研究計劃。在此背景下，作者團隊提出了月基軟X射線成像儀的任務(wù)構(gòu)想(圖4)。利用月球觀測位置，LSXI將利用最先進(jìn)的成像技術(shù)，長時間連續(xù)觀測地球磁層全景圖像。此外，結(jié)合天基和地基探測數(shù)據(jù)，觀測結(jié)果將為磁層物理研究帶來深刻啟示，并將應(yīng)用于空間天氣災(zāi)害的預(yù)測和應(yīng)對。此次任務(wù)由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心牽頭，國內(nèi)外合作機構(gòu)承擔(dān)，包括英國倫敦大學(xué)學(xué)院穆拉德空間科學(xué)實驗室、英國萊斯特大學(xué)等。計劃于2027年推出。

圖4從月球表面觀測磁層的任務(wù)設(shè)計概念

與其他軌道觀測方案相比，月球平臺具有許多優(yōu)勢。首先，月球與地球同步自轉(zhuǎn)，月球始終面向地球的同一側(cè)。在面向地球的一側(cè)放置成像裝置，有利于實現(xiàn)對磁層的連續(xù)觀測；其次，月球與地球的距離約為38萬公里(60RE)，因此LSXI視場幾乎可以覆蓋整個磁層頂面向陽面區(qū)域，使得監(jiān)測全景太陽風(fēng)-磁層相互作用的動態(tài)過程成為可能。第三，與衛(wèi)星平臺壽命短不同，月球是一個穩(wěn)定的觀測平臺。這使得基于月球的觀測能夠覆蓋一個或多個太陽活動周期。