在宇宙的画卷中，绝大多数可见物质以等离子体状态存在，通常被认为是带正电的离子和电子的混合体。然而，理论上，带负电的离子（负离子）也应是这片广袤星海中的重要角色。它们在太阳光球层、早期宇宙结构形成乃至星际云化学过程中都扮演着关键角色。过去，科学家们已在彗星、火星、木卫二和土星系统等天体附近探测到了多种负离子，证明它们并非只是理论上的假想。
作为一颗典型的无大气天体，月球为我们研究太阳风等离子体与固态表面的相互作用提供了一个绝佳的“天然实验室”。当高速的太阳风粒子持续轰击月球表面时，会引发溅射和散射，释放出中性粒子、正离子以及可能存在的负离子。过去，轨道探测器已观测到从月表溅射出的高能中性原子(H ENA)和正离子，但负离子却一直“芳踪难觅”。这主要是因为负离子在1个天文单位距离下受光致剥离效应影响，寿命极短，难以扩散到轨道探测器的高度。此外，在月球周围密集的电子背景下，从电子谱仪数据中准确识别负离子信号也极具挑战。
这一探测空白限制了我们对月球表面物理化学过程及近月空间等离子体环境的完整认知。为了揭开负离子是否存在之谜，并探究其来源与影响，中国的嫦娥六号探测器肩负重任，在2024年6月1日成功着陆于月球背面的南极-艾特肯盆地。其携带的“月球表面负离子分析仪”(Negative Ions at the Lunar Surface, NILS)成为首个在地球以外专门探测负离子的科学仪器，旨在从“源头”——月球表面进行原位测量，以获取最原始、最真实的负离子数据。
通过分析NILS在月面工作期间收集的H- 能谱数据，并结合ARTEMIS卫星提供的太阳风参数，研究团队取得了突破性发现。首先，他们观测到的H- 信号强度与太阳风通量呈现出显著的正相关关系：当垂直入射的太阳风通量较高时，测得的H- 积分通量也较高。其次，H- 的平均能量也与太阳风能量呈正相关趋势。这种明确的依赖关系为“H- 离子产生于太阳风-月球表面相互作用”提供了直接的观测证据。研究还发现，与同源的背散射H高能中性原子(H ENA)谱相比，H- 能谱在低能段（低于200 eV）的流量似乎有所降低，这一特征可能与负离子产率对其出射速度的依赖性理论相符。
为了更深入地理解这些H- 离子的行为和影响，研究人员基于NILS的测量结果，通过测试粒子蒙特卡洛模拟，成功构建了H- 在月球周围的分布图景。模拟揭示了H- 离子在月球空间环境中形成了独特的“外逸电离层”结构：在月球向阳面，H- 主要被束缚在贴近月表的一个薄层内，其密度随高度增加而迅速衰减，主要受光致剥离效应限制；而在背阳面（月球后方），H- 离子则被太阳风携带的电磁场“拾取”，形成一个延绵数个月球半径的长尾结构。这个负离子尾的密度在典型太阳风条件下可达约103 m-3 ，在极端高密度太阳风事件中甚至能升高一到两个数量级。特别值得注意的是，当行星际磁场存在垂直于太阳风流动方向的分量时，会驱动H- 离子发生回旋漂移，从而在月球尾迹中形成条带状的密度结构以及南北不对称的分布特征。
本研究利用嫦娥六号着陆器的NILS仪器，首次在月球表面原位探测到H- 负离子，并通过详细的数据分析证实了这些H- 离子确实来源于太阳风与月表的散射相互作用。结合数值模拟，研究预测了H- 离子在月球周围形成的“外逸电离层”结构，包括向阳面的薄层和背阳面的长尾。
技术方法摘要 ：本研究主要采用了原位探测、数据比对与数值模拟相结合的技术方法。核心数据来源于嫦娥六号着陆器搭载的NILS (Negative Ions at the Lunar Surface) 仪器，这是一个飞行时间质谱仪，专门用于在月表探测负离子，其能量测量范围为3 eV至3 keV。太阳风参数（如密度、速度、行星际磁场IMF）数据来自ARTEMIS航天器的同期测量。数据分析方面，研究人员对NILS原始的四维数据（时间、能量、视向、质量）进行了最大似然拟合，以区分电子、H- 、O- 和偶然背景计数，并计算了H- 的积分通量和平均能量。最后，基于NILS测得的H- 产率和能量分布，并假设其角分布与Chandrayaan-1观测的H ENA一致，研究者进行了测试粒子蒙特卡洛模拟，以研究H- 在月球空间的分布。模拟中考虑了太阳风对流电场、行星际磁场（由混合模型提供）的洛伦兹力、月球引力以及光致剥离效应。
研究结果 ：
• H- 离子产生于太阳风-月球表面相互作用 ：对比不同太阳风条件下的观测数据（如区间1和区间3）发现，H- 通量（FH- ）与太阳风垂直通量（Fsw,⊥ ）呈正线性相关（相关系数~0.87），H- 平均能量（EH- ）与太阳风能量（Esw ）也呈正相关（相关系数~0.88）。这直接证明了观测到的H- 离子与太阳风-表面相互作用有关。
• H- 离子在月球周围的分布 ：通过蒙特卡洛模拟，揭示了H- 离子在月球周围的分布特征。在向阳面，H- 被限制在近月表的薄层内，密度随高度和纬度增加而下降。在背阳面，则形成一个延伸的H- 离子尾迹，其密度、形态和不对称性受太阳风密度、速度及行星际磁场方向控制。模拟预测，在极端高密度太阳风事件下，尾迹中的H- 密度可显著升高，甚至在距月表下游4个月球半径处仍可达104 -105 m-3 。
结论与讨论 ：这项研究利用嫦娥六号的NILS测量，首次揭示了月球上存在依赖太阳风的H- 负离子。H- 通量和能量与太阳风参数的正相关关系，确证了其产生于太阳风-月表的散射过程。数值模拟进一步描绘了由向阳面薄层和背阳面长尾构成的H- “外逸电离层”图像，其结构受太阳风条件和行星际磁场调控。
这一发现具有多重重要意义。首先，H- 作为月球“外逸电离层”中新发现的带电组分，对于理解近月面等离子体鞘层和月球尾迹（Wake）的形成与性质至关重要。这些负离子有助于“重新填充”尾迹中的等离子体空洞，维持该区域的准中性条件。其次，H- 可能通过缔合剥离等特殊化学反应，为月球外逸层中的氢分子（H2 ）和羟基（OH）提供新的来源，从而与月球水的形成相关联。再者，作为一种强电子供体，轰击月壤的H- 可能向矿物晶格注入电子，其动能与近表面电子捕获过程可能促进局域还原反应，影响太空风化过程，并可能参与纳米相单质铁（npFe0 ）的形成。最后，这一发现具有普适性，类似由表面过程主导的负离子及其“外逸电离层”也应存在于水星、小行星等其他无大气天体上。在距离太阳更远的区域（如木星、土星的卫星），较弱的太阳辐射会使负离子存留更久，可能在那里扮演更显著的角色。综上所述，本研究不仅填补了月球负离子原位探测的空白，也极大地深化了对无大气天体表面与空间等离子体相互作用机制的理解。该论文发表于《SCIENCE ADVANCES》。
打赏
