近年來，小天體（小行星、彗星等）已成為人類深空探索的熱點。一方面，小天體保留了太陽系形成之初物質(zhì)，可為研究太陽系和生命的起源提供線索。另一方面，近地小天體會對地球安全帶來威脅，人們需要對其空間分布和軌道特征進(jìn)行詳查。我國天問二號任務(wù)將對近地小天體2016HO₃進(jìn)行采樣返回、對主帶彗星311P進(jìn)行繞飛研究，獲取它們的軌道參數(shù)、表面物質(zhì)組分、磁化強(qiáng)度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及周圍空間環(huán)境特征等，為探究小天體形成演化及表面物質(zhì)遷移過程提供數(shù)據(jù)資料。由于觀測數(shù)據(jù)匱乏，目前人們對小天體周圍的空間環(huán)境知之甚少，這將對近距離探測小天體特別是進(jìn)行采樣操作帶來安全隱患。對于近地小天體2016HO₃而言，其表面將在太陽光照和太陽風(fēng)轟擊作用下帶電。由于尺寸小，2016HO₃表面可能會帶較強(qiáng)電場，這會給表面采樣帶來放電風(fēng)險。另一方面，2016HO₃代表的是一類無大氣天體，其與太陽風(fēng)相互作用還會在背陽面形成尾跡結(jié)構(gòu)。類似的尾跡在月球上也有，但2016HO₃尺寸比月球小3個量級以上，其尾跡可能有不同于月球尾跡的新特征。

　　針對以上問題，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謝良海副研究員建立了太陽風(fēng)與小行星2016HO₃相互作用的三維PIC模型，用于定量分析2016HO₃周圍電場和等離子體特征。研究發(fā)現(xiàn)，小行星2016HO₃表面電勢最高出現(xiàn)在日下點附近，可達(dá)+12V，背陽面最低電勢約為-35V，對應(yīng)的向陽面電場約為+2V/m，背陽面電勢約為-5V/m。最大電場出現(xiàn)在晨昏線附近，可大于10V/m。此外，謝等人還對不同自轉(zhuǎn)狀態(tài)下的情況（Cases1-3）進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)2016HO₃長軸和太陽風(fēng)垂直時（Case1）產(chǎn)生的電勢大小及空間范圍最大，且其晨昏線附近電場可達(dá)20V/m。

圖1 小行星2016HO₃周圍電勢和電場分布

　　謝良海等人還對不同太陽風(fēng)條件下的帶電特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)太陽風(fēng)速度會造成向陽面電勢增加，太陽風(fēng)溫度會造成背陽面電勢減少。此外，在向陽面光電離作用占主導(dǎo)，在近表面附近會形成光電子鞘層，電子密度最高可達(dá)10^7.5m^-3。在背陽面，由于太陽風(fēng)離子被小行星2016HO₃阻擋和吸收，形成一個低密度空腔，密度可低于1m^-3。周圍太陽風(fēng)離子會試圖填充密度空腔，帶來往里傳播的壓縮波和往外傳播的稀疏波，最終在太陽風(fēng)對流作用下，形成錐形的尾跡結(jié)構(gòu)。類似尾跡結(jié)構(gòu)在月球上已有廣泛研究，并已建立所謂的自相似等離子體擴(kuò)散理論（self-similar plasma expansion theory）。該理論主要考慮熱運(yùn)動和雙極擴(kuò)散電場對離子填充的作用，得到的錐角大小取決于離子聲速和太陽風(fēng)速度的比值。該理論能夠比較好地解釋觀測上看到的月球尾跡結(jié)構(gòu)，并已大量用于研究其他無大氣天體的尾跡結(jié)構(gòu)。然而，謝良海等人發(fā)現(xiàn)模擬得到的2016HO₃尾跡錐角大小整體比理論模型值要大（如圖2）。特別是除了離子聲速和太陽風(fēng)速度，錐角還會隨太陽風(fēng)密度變化?；诖?，謝等人提出除了熱運(yùn)動和雙極擴(kuò)散，背陽面的表面負(fù)電也會加速太陽風(fēng)離子向密度空腔的填充，并帶來較快的填充速度以及較大的尾跡錐角。在月球上由于表面等離子鞘比尾跡尺寸要小的多，其表面電場的作用不太明顯。但對于2016HO₃而言，其表面等離子鞘的厚度與尾跡橫向尺度相當(dāng)，因此表面電場的作用就變得更加重要。

　　這些研究成果定量給出了小行星2016HO₃周圍的電場和等離子體密度分布，為我國天問二號任務(wù)小行星采樣過程表面電位差控制以及空間環(huán)境探測方案的制定提供了依據(jù)。此外，該成果還發(fā)現(xiàn)了新的尾跡形成理論，提升了人們關(guān)于太陽風(fēng)與小天體相互作用的認(rèn)識。同時，這些研究成果還對研究其他無大氣天體的空間環(huán)境具有重要參考意義。該研究成果發(fā)表在The Astrophysical Journal上。

　　論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acd6ec

　　引用: Xie, L.*, L. Li, J. Wang, et al. (2023). Three-dimensional Particle-in-cell Simulations of the Solar Wind Interaction with Asteroid 2016 HO₃. The Astrophysical Journal, 952:61. doi: 10.3847/1538-4357/acd6ec.

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