基于多航天器同波束相位闪烁技术的日冕物质抛射前缘精细结构分析

《Publications of the Astronomical Society of Australia》：An Analysis of a Coronal Mass Ejection Leading Edge by Means of Multi-Spacecraft-in-Beam Phase Scintillation

本刊编辑推荐：为精细探测日冕物质抛射(CME)结构，研究团队利用塔斯马尼亚大学甚长基线干涉测量(VLBI)天线，首次同步接收火星快车号(MEX)与天问一号(TIW)在4.4°太阳仰角时的无线电信号，通过多航天器同波束相位闪烁技术，成功解析CME前缘的等离子体湍流特征。研究发现CME前缘与背景太阳风存在明显湍流机制差异，并通过自相关分析将CME影响区域精确定位于距太阳0.2 AU处。该技术为未来太阳监测任务提供了关键互补手段，对空间天气预报具有重要意义。

　　

当巨大的日冕物质抛射（CME）从太阳表面爆发时，它会将数十亿吨的等离子体和磁场抛向星际空间。这些剧烈的太阳活动不仅会产生绚丽的极光，更可能对人造卫星、航天器通信甚至地面电网造成严重威胁。然而，科学家们对CME在离开太阳后如何演化、其内部精细结构如何，尤其是在非常靠近太阳的区域，仍然存在许多未解之谜。传统的观测手段，如日冕仪，虽然能直接拍摄CME的影像，但其视场有限，且难以探测CME内部的等离子体特性。而实地探测的航天器又无法常规地在如此恶劣的环境中工作。因此，利用无线电波在穿过太阳风等离子体时产生的信号波动（即闪烁）来间接探测CME，成为一种独特而有力的工具。

在这篇发表于《Publications of the Astronomical Society of Australia》的研究中，由J. Edwards领衔的研究团队展示了一种名为“多航天器同波束”的创新技术，它能够以前所未有的细节剖析一个CME的前缘结构。研究人员巧妙地利用了同时处于火星轨道上的两个航天器——欧洲空间局（ESA）的“火星快车号”（MEX）和中国国家航天局（CNSA）的“天问一号”（TIW）。在2023年火星合日期间（即火星与地球分别位于太阳两侧时），这两个航天器发出的无线电信号在穿过日地空间时，会共同受到太阳风等离子体的干扰。位于澳大利亚塞杜纳的塔斯马尼亚大学甚长基线干涉测量（VLBI）射电望远镜，其巨大的天线波束宽度足以同时接收来自MEX和TIW的两个信号，就像同时倾听两个来自同一方向的“太空信使”的汇报。

为了解析CME对信号的影响，研究人员采用了几个关键技术方法：首先是相位闪烁分析，通过提取无线电信号的相位残差并计算其闪烁指数（σ_Sc）和功率谱斜率，来量化等离子体的湍流强度和模式；其次是多航天器交叉相关分析，通过计算MEX和TIW相位残差的互相关函数（CCF），来确定等离子体不规则结构在两个独立信号路径之间漂移的时间延迟，从而推断其速度；第三是自相关分析，利用MEX信号在塞杜纳（Cd）站和欧空局新诺西亚（NNO）站的多普勒噪声数据，通过寻找自相关函数（ACF）中的“回波”峰值，来精确确定CME主要影响区域在无线电传播路径上的位置（即到航天器的距离L）；此外，还结合了SOHO卫星LASCO日冕仪的影像数据提供CME的背景信息，以及利用TIW的X波段（8.430 GHz）和MEX的X波段（8.420 GHz）信号分离接收和处理技术。

3.1 背景日冕仪数据提供的上下文

研究首先从SOHO/LASCO日冕仪数据中确认了CME事件的发生。该CME于2023年12月2日23:48 UTC首次出现在C2日冕仪视野中，并于12月3日01:42 UTC出现在C3日冕仪中。CME源自太阳西侧边缘，中心位置角为233度，呈现出经典的“三部分”结构（前缘、低密度腔体和稠密核心）。高度-时间数据拟合表明，CME前缘在日冕仪视场内的传播速度在599 km/s至681 km/s之间。然而，由于这是一个发生在太阳背面的CME事件，这些速度是基于天空平面投影的估计值，可能低估了真实速度。

3.2 无线电科学数据

3.2.1 信噪比、多普勒噪声和相位残差

MEX和TIW的信号在CME经过其无线电路径时，信噪比（SNR）、多普勒噪声（Δf）和相位残差（ΔΦ）均发生了显著变化。在CME前缘到达（07:02 UTC）之前，相位起伏水平（均方根RMS约为1.6弧度）对于当时的太阳仰角（4.4度）是典型的。传输恢复后（05:37 UTC），相位起伏略有增加（RMS为4.4弧度）。CME前缘经过时，相位起伏达到峰值（RMS为21.2弧度），并且SNR逐渐下降。这些特征在两个航天器的信号中均清晰可见，与LASCO C3影像数据一致地表明了CME的影响。

3.2.2 相位去趋势比较

尽管MEX和TIW由于不同的轨道和传播路径，其原始相位趋势不同，但在去除六阶多项式拟合趋势后，两者的相位残差在CME事件期间表现出高度相关性。这表明CME引起的等离子体扰动尺度非常大，并且在从一个航天器的视线路径漂移到另一个航天器的路径所需的时间内，其结构没有发生显著演化。两个航天器相位残差的差值时间序列显示出柯尔莫哥洛夫功率律指数（α ≈ -3.5），表明残差之间的差异主要源于不同无线电路径以及小于路径分离尺度的等离子体湍流变化。

3.2.3 多航天器互相关分析

对MEX和TIW的相位残差进行互相关函数（CCF）计算发现，在CME发生前的大部分时间段内，两者没有明显的相关性。然而，在CME事件期间（从06:37 UTC开始），CCF与MEX的自相关函数（ACF）几乎完全相同，只是在时间上存在偏移，且相关系数大于0.89。这表明CME产生了尺度巨大的等离子体结构，其在两个独立无线电路径之间漂移时演化甚微。观察到的时间延迟在3.18秒到14.43秒之间。研究人员推断，较小的延迟（约3.2秒）可能对应于下行链路（航天器到地面）上更显著的扰动，而较大的延迟（13.25-14.43秒）可能对应于上行链路（地面到航天器）扰动占主导地位的情况，因为两条上行链路在空间上分离更远。这些强相关性证明了在只有一个接收天线的情况下，多航天器同波束技术是进行多路径传播实验的有效方法。

3.2.4 闪烁指数水平与背景太阳风总电子含量的比较

利用经验关系式（TEC = Kσ_Sc）估计的总电子含量（TEC）显示，在实验期间存在三个明显的闪烁水平组。第一组出现在CME发生前3-8小时，其TEC值介于快速（密度较低）和慢速（密度较高）太阳风模型之间，属于该太阳仰角下的典型情况。第二组出现在CME发生前1小时内，TEC值轻微升高，约为早期条件的2.4倍，更接近慢速太阳风模型，表明在CME前缘到达前，电子含量和湍流有所积累。第三组对应于CME前缘的影响，其TEC估计值远高于背景太阳风模型。CME期间的闪烁增强因子（EF，峰值与背景闪烁水平之比）约为3.7（与临近CME的数据比）至8.6（与数小时前的数据比），属于中等强度。值得注意的是，线性标度关系在CME情况下会高估TEC的变化。

3.2.5 前缘结构

通过分析5分钟时间序列的闪烁指数（σ_Sc(T=5)）和相位功率谱斜率（S_Φ(T=5)(f)）的演化，可以洞察CME前缘的结构。在CME之前，平均功率谱斜率约为-1.95±0.10，接近二维湍流的柯尔莫哥洛夫值（-5/3）。在CME前缘到达前后（约06:40至07:30 UTC），斜率明显下降并稳定在约-8/3附近，这是三维湍流的柯尔莫哥洛夫值，表明CME前缘的等离子体湍流机制与几小时前的平静期存在明显差异。σ_Sc(T=5)的显著增加主要源于CME等离子体中波动强度的宽频带增强，而非仅仅是功率谱斜率变化的影响。同时，来自欧空局新诺西亚（NNO）站的双频差分多普勒数据提供了独立的一维TEC变化测量。CME引起的TEC变化在07:00 UTC左右开始急剧上升，其结构符合P?tzold等人提出的CME通用模型，即前缘表现为电子含量的大幅波动，其后是主要的CME核心结构。σ_Sc(T=5)的峰值滞后于△TEC的峰值，因为前者探测的是更小尺度的波动，且受数据处理（去趋势）影响。

3.3 CME影响位置的估计

通过分析MEX在塞杜纳站（Cd）的两维多普勒噪声数据和新诺西亚站（NNO）的闭环多普勒数据的自相关函数（ACF），研究人员成功约束了CME主要影响区域在无线电路径上的位置。在CME事件发生前，ACF在零延迟处的主峰很窄且被噪声主导，没有明显的“回波”峰值。而在CME发生后，ACF显示出更宽的结构，并在1388秒处出现了一个共同的、稳定的相关峰值，这被解释为CME扰动在上下行链路上产生影响的回波延迟。通过高斯拟合确定该回波延迟的95%置信区间为1388±46秒。结合几何计算（使用SPICE内核）和对太阳风速度的一阶校正，研究人员将CME的主要影响区域定位在距离太阳约0.2 AU（天文单位）处，该位置与M2M目录推测的CME在太阳上的起源点所在的日心经度一致。基于此定位，修正后的CME速度至少为755±227 km/s。

这项研究有力地证明了多航天器同波束相位闪烁技术是探测日冕物质抛射（CME）精细结构的强大工具。通过同步分析火星快车号（MEX）和天问一号（TIW）的无线电信号，研究不仅清晰地捕捉到了CME前缘对信号的影响，还通过互相关分析揭示了等离子体结构在两个独立传播路径间的漂移，并通过自相关分析中的回波延迟，前所未有地将CME的影响区域精确定位在无线电路径上。研究还揭示了CME前缘与背景太阳风在湍流机制（从接近2D向3D湍流转变）上的根本差异。尽管从相位闪烁指数估计总电子含量（TEC）的方法在CME情况下存在高估，但闪烁指数本身仍是检测CME影响的敏感指标。这项技术的成功应用，为未来利用更多同时运行的深空探测器（如木星系统的JUICE和Europa Clipper任务）开展空间天气研究铺平了道路。这些研究将能提供关于CME速度、轨迹和内部结构的宝贵信息，与新一代太阳监测仪器（如PROBA-3/ASPIICS、PUNCH）的观测相结合，有望构建从日冕到日球层的CME统一图像，从而显著提升空间天气预报的能力。