空間中心科研人員針對宇宙線高能粒子對空間引力波探測檢驗質(zhì)量充電機理研究取得進展

檢驗質(zhì)量是空間引力波測量的核心傳感器，宇宙線高能粒子能夠穿透航天器屏蔽使其帶電。處于自由懸浮狀態(tài)的孤立帶電檢驗質(zhì)量在周圍電極庫侖力和磁場洛倫茲力的干擾下，產(chǎn)生殘余加速度噪聲對空間引力波科學(xué)探測目標(biāo)造成嚴(yán)重影響。

在中科院的TAIJI計劃和歐空局的LISA計劃中，需要探索銀河宇宙線和太陽宇宙線對檢驗質(zhì)量的充電機制與變化規(guī)律，研究結(jié)果將為空間引力波探測計劃加速度噪聲評估、電荷管理系統(tǒng)的設(shè)計和在軌運行提供依據(jù)。

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣重點實驗室空間天氣效應(yīng)中心研究團隊的博士研究生韓瑞龍（第一作者）、蔡明輝副研究員（通訊作者）和韓建偉研究員等人，針對背景銀河宇宙射線和偶發(fā)的太陽質(zhì)子事件，采用蒙特卡洛仿真方法開展復(fù)雜衛(wèi)星結(jié)構(gòu)內(nèi)部檢驗質(zhì)量充電機理研究，揭示了不同種類、能量的高能粒子對檢驗質(zhì)量充電的機制和規(guī)律，并通過提取、處理和分析GOES衛(wèi)星高能質(zhì)子探測數(shù)據(jù)對第24太陽活動周期內(nèi)所有41次太陽質(zhì)子事件的充電特征進行系統(tǒng)評估。

研究表明，在太陽活動極小年時，銀河宇宙線造成的檢驗質(zhì)量充電速率約為39.5 +e/s，其中質(zhì)子占據(jù)主導(dǎo)地位，約占83.26%。在太陽活動極大年時，銀河宇宙線造成的檢驗質(zhì)量的充電速率約為12.5 +e/s，質(zhì)子充電率占比約72.96%。

可以看出，檢驗質(zhì)量充電率的主要貢獻來自于銀河宇宙線質(zhì)子和4He。此外，研究定量評估給出第24太陽周期全部41次太陽質(zhì)子事件對檢驗質(zhì)量的充電速率，發(fā)現(xiàn)一個太陽周期內(nèi)的第3至第7年為太陽質(zhì)子事件充電的高發(fā)期。

圖1： 宇宙線各粒子的充電率

（a） 太陽活動極小年；（b） 太陽活動極大年

圖2： 第24太陽周期41次太陽質(zhì)子事件的通量和充電率

圖3： 第24太陽周期太陽質(zhì)子事件充電強度分布

該成果得到國家重點研發(fā)計劃項目的資助，相關(guān)成果已發(fā)表于Scientific Reports和《物理學(xué)報》期刊上。