近期，在国家航天局支持下，中外科学家利用我国“天问一号”环绕器、欧空局“火星快车”轨道器在火星日凌期间测控通信信号，获得重要研究成果。2022年12月，该成果发表在天文学领域国际专业期刊《The Astrophysical Journal Letters》，通讯作者为中科院上海天文台的马茂莉和澳大利亚塔斯马尼亚大学的Guifré Molera Calvés。
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图1 日凌期间，地球、火星与太阳之间的位置关系
火星日凌是指地球、火星运行至太阳两侧且三者近乎处于一条直线的自然现象（如图1所示）。火星日凌期间，探测器向地球测控站发射的无线电信号经过临近太阳空间（以下简称临日空间），受太阳电磁辐射干扰，导致其信号强度和频率发生变化。科学家通过对这些影响的研究，可以反演研究太阳的活动情况。2021年9月下旬到10月中旬的火星日凌期间，“天问一号”环绕器和欧空局“火星快车”轨道器任务团队控制两个探测器定期向地球发射无线电信号，多国科学家利用国内外十多个射电望远镜，对两个探测器的信号受太阳影响情况进行了观测，获取大量数据。
图2 火星日凌期间，多个VLBI测站对“天问一号”和“火星快车”进行观测
2021年10月9日，当火星投影点（火星在太阳附近的投影，见图2所示）距离日心2.6 Rs（太阳半径）时，研究人员发现，6个观测站接收到“天问一号”环绕器与“火星快车”轨道器的无线电信号频率出现了最强±20Hz、时间长达10分钟的扰动。
通过对扰动信号分析，研究人员发现，在无线电信号传播过程中穿越临日空间时，该区域的电子总含量发生了上千个TECU（总电子数单位，1TECU="10"
16个电子/平方米）的变化。经过与大角度分光日冕仪(LASCO)在同一时期获取的光学遥感观测数据对比后发现，此次的电子总含量变化是由于日冕物质抛射(CME)现象引起的。CME现象作为太阳上最剧烈的爆发现象之一，可快速抛射大量携带有磁场的等离子体，这些等离子体对信号的折射与散射效应会导致信号频率产生扰动。
由于相同的频率扰动信号抵达不同位置测站的时间不同，通过频率扰动信号与各测站之间的传播距离与传播时间，可计算得到CME的等离子体抛射速度，因此多站联测可以用来研究临日空间太阳活动的空间传播情况。
(a)“天问一号”频率扰动变化
（b）火星快车频率扰动变化
图3 2021年10月9日，火星投影点距离日心2.6 Rs时，日冕物质抛射引起的“天问一号”(a)和“火星快车”(b)的频率和载噪比扰动变化。Hh：南非哈特比斯特胡克测站；Ys：西班牙耶韦斯站；Mc:意大利梅迪奇纳站；Sv、Zc和Bd：俄罗斯的斯韦特拉耶测站、泽连楚克斯卡雅测站和班达拉测站；Yg: 澳大利亚亚拉测站。CME在07:09到达火星投影点，CME前沿在07:20到达火星投影点，07:32离去，11:00之后恢复背景太阳风状态。07:20~07:32之间，频率扰动达到±20Hz。时间为世界协调时(UTC)。
图4 UTC时间2021年10月9日06:30-13:00期间利用LASCO拍摄到的CME现象
同时，在火星投影点附近更小的空间尺度范围内，观测到了因CME与冕流相互作用引起的冕流波。冕流波是一种大尺度日冕波动现象，又被称为“太阳上空飘扬的彩带”，反映了磁场对太阳风等离子体运动的约束情况。通常情况下，冕流波是利用光学手段通过日冕仪进行观测，但会受到观测背景亮度的限制。此次，通过射电方法观测到了背景较暗且光学手段无法分辨的冕流波细节结构，为未来开展冕流波观测提供了一种新方法。
本次观测还在CME离去时探测到初生高速太阳风流。初生太阳风指刚刚从太阳射出的太阳风。一般认为初生太阳风是低速的，在距离日心5Rs~20Rs范围内加速后才会形成高速太阳风。而本次观测在距离日心2.6Rs的位置就发现了速度高达每秒上千公里的高速太阳风现象。研究人员推测，初生高速太阳风流可能是受到了来自太阳的磁流体动力学波的影响而形成的。这次观测工作也表明，通过多站观测的方法，可以为科研人员研究太阳风流动与磁流体波动提供观测数据支持。
左：CME过火星投影点引起的瞬变太阳风速度变化及高速流径向速度变化；右：冕流波速度变化
图6冕流波到达多个测站的投影点，及沿着Hh-Ys方向传播的高速流示意图
本项工作得益于探测器射电遥感观测方法的高灵敏度，以及多站联合观测具有的高时间分辨率和高空间分辨率优势。该方法可以对原位探测器无法进入的临日空间和光学手段无法识别的空间小尺度快速变化现象进行观测，有助于研究人员更加细致地研究临日空间环境及其对深空通信的影响。
该项工作得到国家航天局探月与航天工程中心、北京航天飞行控制中心、北京跟踪与通信技术研究所、中国VLBI观测网和欧洲VLBI观测网的大力支持，以及国家自然科学基金、国家基础科学公共科学数据中心“VLBI月球与深空探测数据库”、国家重点研发计划的资助。
作者/马茂莉 段叠 李佳威 戚铁磊
供图/中国科学院上海天文台
