嫦娥四号发现地月空间"宇宙线空腔"，为星际航行辐射规避提供优化路径

摘要： 山东大学史全岐教授研究团队通过分析嫦娥四号着陆器搭载的月表中子与剂量探测仪三年多的连续观测数据，在月球轨道日侧发现低能段银河宇宙线通量显著降低的空间区域，即"宇宙线空腔"。这一发现突破了传统认知，为理解地月空间辐射环境结构及未来深空探测的辐射规避策略提供了新的科学依据。

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• 嫦娥四号数据发现地月空间"宇宙线空腔"，或可为星际航行辐射规避提供优化路径 - 国家航天局官网

银河宇宙线是来自银河系深处的高能带电粒子流，广泛存在于整个行星际空间。长期以来，科学界普遍认为，在远离行星磁场影响的地月空间区域，银河宇宙线应呈近似均匀分布。然而，山东大学史全岐教授研究团队通过分析我国嫦娥四号着陆器搭载的月表中子与剂量探测仪三年多的连续观测数据，在月球轨道日侧发现低能段银河宇宙线通量显著降低的空间区域，即"宇宙线空腔"。

该空间结构的形成源于地球磁场对银河宇宙线传播路径的调制作用，表明地球磁场对空间环境的影响范围可延伸至月球轨道甚至更远区域。这一发现突破了传统认知，为理解地月空间辐射环境结构及未来深空探测的辐射规避策略提供了新的科学依据。

银河宇宙线通常被认为是起源于银河系深处的高能带电粒子流，具有极强的穿透力和电离效应，会破坏航天器的电子器件和生物组织，是深空环境中最具危害性的辐射源之一，目前针对深空旅行尚无有效的防护措施。传统观测与理论研究普遍认为，银河宇宙线在行星际空间中近乎各向均匀分布，天然屏蔽效应通常只出现在强磁化天体的磁场范围内。

嫦娥四号于2019年1月3日成功着陆月背，开启人类月球背面探测新时代。其搭载的月表中子与剂量探测仪可随月球绕地运行并对地月空间辐射环境实施以月球公转周期（约28天）为尺度的周期性扫描观测。研究团队通过系统分析任务期间积累的三年多连续观测数据发现，在稳定的行星际磁场和太阳风条件下，月相为12 hM（对应新月位置）之前的轨道区间内，较低能段银河宇宙线计数率显著低于其他轨道区域，形成一个稳定存在的低通量空间结构。

为了进一步揭示这一空间结构的形成机制，研究团队开展了包含地球磁场和行星际磁场背景的三维粒子轨道数值模拟研究。模拟结果表明，地球磁场能够显著改变银河宇宙线粒子的传播轨迹，在地月空间特定区域形成稳定的低粒子密度区域，即"宇宙线空腔"。模拟结果与观测结果高度一致，在20 MeV和100 MeV质子能量范围均成功再现了银河宇宙线通量在月球轨道特定区域的降低现象，验证了地球磁场在地月空间尺度调制银河宇宙线传播的物理机制。

这一结果表明，地球磁场在其存在范围之外的地月空间尺度，仍然可以调制和影响深空高能粒子分布格局。相比质子，重离子具有更高的电荷数和更强的生物损伤效应，虽然相对占比较小，是深空辐射危害中人们所关注的的一种来源。鉴于相同能量的重离子的回旋半径比质子更小，导致它们更容易受到磁场的偏转，因此地球磁场形成的这一"宇宙线空腔"对重离子的屏蔽作用可能更加显著，对于降低高危重离子辐射具有更加重要的意义。

此外，类似的宇宙线空腔现象也可能广泛存在于其他具有强磁场的行星周围，或可为深空探测任务的辐射规避策略以及未来星际航行路径优化提供了新的科学依据和重要启示。