眾所周知，我們被強大的全球磁場保護着，當太陽風入侵地球時，正是由於磁場的阻擋，地球周圍會形成一個巨大的保護傘——磁層，阻擋了絕大部分太陽風入侵。而月球由於缺少這種全球磁場和濃密的大氣，月球表面直接暴露於危險的深空下，其中太陽風、地球風可以直接轟擊月表，產生各種各樣的作用。
目前來自中國嫦娥、日本月亮女神、印度月船一號以及美國星際邊界探測器的數據表明，在一般區域，大約0.1-1%的太陽風質子會被月表散射，10-20%的太陽風質子與月表作用後轉化成能量中性原子，剩下的大部分會注入月壤產生月球水。雖然月球沒有全球磁場，但在月表散落着多個磁場異常區，在月表磁場強度約幾百nT，當太陽風與磁異常相互作用時，也會形成一個小保護傘——微磁層，也可以阻擋一部分太陽風轟擊月表，太陽風質子的反射率在大尺度磁異常區明顯增加(平均~10%，局地50%)。探測能量中性原子可揭示太陽風、地球風與月表相互作用的微觀物理機制，理解其中的小尺度特徵。
圖1 嫦娥四號着陸於月球背面南極-艾肯盆地內的馮?卡門撞擊坑，黃色區域為磁異常區，紅色箭頭代表在昏側時太陽風轟擊月表的方向。
2019年1月3日，嫦娥四號着陸於月球背面南極-艾肯盆地內的馮?卡門撞擊坑，其中搭載在玉兔二號巡視器上的中性原子探測儀(ASAN)首次在月球背面對月表能量中性原子(ENA)開展觀測(圖1所示)。本文分析了2019年1月11日至2020年10月12日ASAN獲取的ENA能譜，發現在大多數月晝下，晨側的ENA微分通量高於昏側;結合嫦娥四號中性原子探測儀和ARTEMIS衛星同期的觀測數據分析發現，晨側和昏側不同能量範圍的ENA微分通量與太陽風狀態參數如通量、密度及動壓呈正相關關係;通過統計晨側和昏側的太陽風能量與ENA截止能量及溫度的關係發現，在相同能量的太陽風轟擊下，昏側的ENA的截止能量和溫度低於晨側，說明在昏側太陽風可能受月球微磁層影響，被磁異常上方的靜電場所減速(圖2所示)，使能譜變窄、溫度降低，該結果與Xie 等人(2021)模擬結果一致。利用晨側與昏側的ENA截止能量之差，可估算太陽風在昏側的減速，進而計算靜電勢，靜電勢和太陽風減速率都隨太陽風能量的變化而變化。靜電勢範圍為50-260 V(95%置信區間為30-350 V)。太陽風的減速率為12%-18%(95%置信區間為7.5%-30%)，與之前在繞月軌道的觀測結果一致。該工作是首次利用月表的中性原子觀測數據計算磁異常上方的靜電勢，更新了粒子與磁異常相互作用的認識，也說明探測能量中性原子是研究太陽風、地球風與月表相互作用的有效工具。該成果對研究太陽風、地球風與無大氣無全球磁場的天體(如小行星或彗星)具有廣泛的參考價值。
圖2 由於質子和電子的運動導致的電荷分極電場，電場方向向上。太陽風質子的減速與磁異常有關。
研究成果發表於業內權威雜誌Astrophysical Journal Letters，該論文的第一作者是山東大學磁層與太陽風相互作用課題組博士生王慧姿，通訊作者為山東大學磁層與太陽風相互作用課題組長史全岐教授和行星科學課題組張江老師，論文的合作者來自於日本宇宙航空研究開發機構、北京大學、中科院空間中心、中科院地球所等。
該工作得到了國家自然科學基金(41941001, 41974189, 41731068, 41773065, 41961130382, 41941001, 41974191, 42074194), 中科院前沿科學研究項目(QYZDY-SSW-DQC028)，英國皇家學會NAFR1191047, 國家重點實驗室專項研究基金、中國科學院戰略重點研究項目(grant No. XDB 41000000)等項目支持。