近日，中国科学院国家空间科学中心牵头的国际团队利用嫦娥六号着陆器搭载的负离子谱仪（NILS）首次直接探测到太阳风与月球表面相互作用产生的负离子。我们揭示了通量和能量与太阳风参数密切相关，并模拟了月球周围的空间分布特征。宇宙中99%以上的可见物质以等离子体的形式存在，通常由正离子和电子组成。然而，负离子也存在并在各种天体物理环境中发挥着重要作用。例如，在太阳的外层大气中，负离子是可见光谱中不透明的主要来源。在早期宇宙中，H⁻离子通过缔合和解吸反应迅速产生氢分子，从而推动了第一代恒星的形成。在行星环境中多个任务利用电子探测器间接探测彗星和火星电离层中的负离子，证明负离子是行星电离层的重要组成部分。理论上，预测月球环境中也可能存在负离子，但由于缺乏直接观测证据，其存在和分布特征长期以来一直困扰着人们。月球是典型的没有大气层的天体，有时太阳风会直接撞击月球表面。最近的研究表明，太阳风产生的质子撞击月球土壤后，大部分被注入到风化层中，其中10%至20%以高能中性原子（ENA）的形式分散，0.1%至1%以阳离子的形式反射。此外，理论和实验室研究预测，一些质子可以在散射过程中捕获第二电子，形成阴离子（H⁻）。然而，H⁻很容易丢失电子通过光解吸并在太阳辐射下消散，使其难以生存到月球轨道飞行器的高度。因此，此前的月球轨道探测任务均未能捕捉到负离子信号。探测月球上的固定位置可以直接测量负离子产生源附近的情况，使其成为克服这一瓶颈的重要手段。嫦娥六号着陆器配备了由瑞典天体物理研究所和中国科学院国家空间科学中心联合研制的负离子光谱仪（NILS）。世界上第一个外星负钥匙探测器开启了。观测两天内获得了H⁻谱的6个有效数据段，实现了月球表面负离子的首次直接探测。 NILS嫦娥六号仪器观测示意图。近日，国家空间科学中心科研团队在中国科学院与国内外机构合作，对NILS获得的H能谱和ARTEMIS卫星同时观测到的上升太阳风参数进行了系统分析。结果表明，积分H⁻通量与正常太阳风通量（r=0.87）以及平均H⁻能量与太阳风能量（r=0.88）之间存在很强的正相关性。这些结果提供了直接的观测证据，证明它源自太阳风与月球表面的相互作用。此外，H⁻的平均能量集中在250至300 eV之间，表明这些负离子主要是由太阳风在月球表面的散射过程产生的。 H⁻能谱与太阳风参数的相关性为评估H⁻对月球空间环境的影响，本研究进行了进一步的模拟，明确了其空间分布分布特征。在太阳一侧，光解吸作用将 H⁻ 捕获在月球表面附近的薄层中，其中密度随着高度的增加而迅速下降。在另一侧，该区域被月亮遮挡，没有暴露在阳光下，因此光吸收效应消失。 H⁻被电磁场吸收后，可以形成一条长长的负离子尾巴，延伸穿过月球的几个半径。新发现的这种带电粒子成分可能是填充月球尾迹的等离子体空腔的原因。在极端太阳风密度事件期间，H⁻密度可能比正常条件下高10倍以上，这会对月球空间环境产生重大影响，例如产生等离子体波动。不同太阳风条件下模拟H⁻密度的空间分布负离子除了对等离子体环境有直接影响外，还可以产生分子氢通过化学反应生成氢（H2）或羟基（OH），这可以为月球外逸层和月球表面水提供新的来源。此外，考虑到月球土壤的多孔结构，一个粒子发射的H⁻将与相邻粒子碰撞并注入电子。它可以促进局部还原反应并有助于纳米铁的形成。这些发现可以推广到其他大气物体。它们可能在距离太阳较远的天体环境中发挥更大的作用，例如土星和木星的冰冷卫星，那里的太阳辐射较弱，负离子的生存时间较长，浓度较高。该研究利用嫦娥六号NILS首次月球负离子观测数据，发现H⁻通量与太阳风和能量参数之间存在很强的相关性，为月球H⁻源自太阳风散射过程提供了直接的观测证据。当与测试粒子模拟相结合时，据透露，月球的阳面存在负离子壳，而月球的背面则形成负离子尾。这些成果极大地提高了人们对月球等离子体环境的认识，为研究空间侵蚀和月表大气提供了新的视角。它们也为研究负离子的产生机制和其他大气物体的分布特征提供了重要参考。 （央视新闻）
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