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宇宙中超過99%的可見物質(zhì)以等離子體形式存在，通常由正離子和電子組成。然而，負(fù)離子同樣存在于各類天體物理環(huán)境中并發(fā)揮重要作用。例如，在太陽外層大氣中，負(fù)離子是引起可見光波段不透明度的主導(dǎo)因素。在早期宇宙中，H?離子可通過締合脫附反應(yīng)快速產(chǎn)生分子氫，促進(jìn)了第一代恒星的形成。在行星環(huán)境中，多個任務(wù)曾在彗星、火星的電離層中利用電子探測器間接探測到負(fù)離子，證明了負(fù)離子是行星電離層的重要組成部分。盡管理論上預(yù)期月球環(huán)境中也可能存在負(fù)離子，但長期以來由于缺乏直接觀測證據(jù)，其是否存在以及分布特征是怎樣的一直困擾著人們。

月球是無大氣天體代表，太陽風(fēng)可直接轟擊月表。近年來研究結(jié)果表明，太陽風(fēng)質(zhì)子打到月壤后，大部分被注入風(fēng)化層中，約10%–20%以能量中性原子（ENA）形式散射，約0.1%–1%以正離子形式反射。此外，理論和實(shí)驗(yàn)室研究還預(yù)期，部分質(zhì)子可能在散射過程中捕獲第二個電子形成負(fù)離子（H?）。然而，由于光致解吸作用，H?在太陽輻射下極易失去電子而消散，在1AU處的壽命僅約0.07秒，因此難以存活到環(huán)月軌道器高度，導(dǎo)致以往的月球軌道探測任務(wù)未能捕捉到負(fù)離子信號。而月表就位探測可以在負(fù)離子產(chǎn)生的源區(qū)附近直接測量，是突破這一瓶頸的關(guān)鍵手段。嫦娥六號著陸器上搭載了一臺由瑞典空間物理研究所和中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心聯(lián)合研制的負(fù)離子分析儀（NILS），這是國際首個地外空間專用負(fù)離子探測器，它在兩天觀測時間內(nèi)獲得了六段有效的H?能譜數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了人類首次在月球表面對負(fù)離子的直接探測。

圖1 嫦娥六號NILS儀器觀測示意圖

最近來自中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心的博士生仲天華、謝良海研究員、張愛兵研究員和王赤院士等人與國內(nèi)外單位合作，將NILS獲取的H?能譜與ARTEMIS衛(wèi)星同期觀測的上游太陽風(fēng)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果顯示，H?積分通量與太陽風(fēng)法向通量之間存在強(qiáng)正相關(guān)（r=0.87），H?平均能量與太陽風(fēng)能量同樣呈強(qiáng)正相關(guān)（r=0.88）。太陽風(fēng)通量最高時段的H?通量約為最低時段的三倍。這些結(jié)果為其起源于太陽風(fēng)與月表相互作用提供了直接觀測證據(jù)。此外，H?平均能量集中在250–300 eV，說明這些負(fù)離子主要由太陽風(fēng)在月表的散射過程產(chǎn)生。將H?能譜與ENA經(jīng)驗(yàn)?zāi)茏V對比還發(fā)現(xiàn)，H?在低能段通量相對更低，這與固體表面負(fù)離子出射的速度依賴性理論預(yù)測一致，即速度較低的負(fù)離子在離開表面時其電子具有更高概率隧穿回表面，導(dǎo)致負(fù)離子損失一個電子而被中性化。

圖2 H?能譜及其與太陽風(fēng)參數(shù)的相關(guān)性

為評估H?對月球空間環(huán)境的影響，本研究進(jìn)一步利用蒙特卡洛測試粒子模擬揭示了其空間分布特征。在向陽面，由于光致解吸效應(yīng)，H?被限制在緊貼月球表面的薄層內(nèi)，密度隨高度迅速衰減，50公里以上降至10? m?3以下。在背陽面，由于該區(qū)域處于月球陰影區(qū)內(nèi)無太陽光照，光致解吸效應(yīng)消失，H?被電磁場拾起后可形成延伸數(shù)個月球半徑的長負(fù)離子尾。這一新發(fā)現(xiàn)的帶電粒子組分可參與填充月球尾跡區(qū)的等離子體空腔。在極端太陽風(fēng)密度事件期間，H?密度可比正常條件高出10倍以上，其可能對月球空間環(huán)境帶來顯著影響，比如產(chǎn)生一些等離子體波動等。

圖3 不同太陽風(fēng)條件下H?密度的模擬空間分布

除了對等離子體環(huán)境的直接影響外，負(fù)離子還可能通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生分子氫（H?）或羥基（OH），從而為月球外逸層和月表水提供潛在的新來源。此外，考慮到月壤的多孔結(jié)構(gòu)，從一個顆粒出射的H?可能轟擊相鄰顆粒并向其注入電子，促進(jìn)局部還原反應(yīng)，可能對納米鐵的形成有一定貢獻(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)還可推廣到其他無大氣天體。在離太陽更遠(yuǎn)的天體環(huán)境中，如土星和木星的冰衛(wèi)星，太陽輻射更弱，負(fù)離子可擁有更長的存活時間和更高的濃度，可能扮演更加重要的角色。

該研究利用嫦娥六號NILS的首次月表負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了H?通量和能量與太陽風(fēng)參數(shù)的強(qiáng)相關(guān)性，為月表H?起源于太陽風(fēng)散射過程提供了直接觀測證據(jù)。結(jié)合測試粒子模擬，揭示了月球向陽面存在負(fù)離子層、背陽面形成負(fù)離子尾的空間結(jié)構(gòu)特征。這些結(jié)果大大提高了人們對月球等離子體環(huán)境的認(rèn)識，并為研究月表太空風(fēng)化以及外逸層提供了新的視角，同時也為研究其他無大氣天體的負(fù)離子產(chǎn)生機(jī)制和分布特征提供了重要參考。

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