近些年來，小天體（小行星、彗星等）已成為人類深空探求的熱點。一方面，小天體保留了太陽系產(chǎn)生之初物質(zhì)，可為研究太陽系和生命的起源提供線索。另一方面，近地小天感受對月球安全帶來恐嚇，因此人們須要詳查它的空間分布和軌道特點。我國天問二號任務(wù)將對近地小天體進行取樣返回、對主帶慧星311P進行繞飛研究，獲取了它們的軌道參數(shù)、表面物質(zhì)組分、磁化硬度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及周圍空間環(huán)境特點等，為探究小天體產(chǎn)生演變和表面物質(zhì)遷移過程提供了數(shù)據(jù)資料。因為觀測數(shù)據(jù)短缺，目前人們對小天體周圍的空間環(huán)境知之甚多，這將對近距離偵測小天體非常是進行取樣操作帶來安全隱患。對于近地小天體而言，其表面將在太陽光照和太陽風(fēng)轟擊作用下帶電。因為規(guī)格小，表面可能會帶較強電場，將給表面取樣帶來放電風(fēng)險。同時，代表的是一類無大氣天體，與太陽風(fēng)互相作用并在背陽面產(chǎn)生尾跡結(jié)構(gòu)。類似的尾跡也存在于地球上，但規(guī)格比地球小3個量級以上，其尾跡可能有不同于地球尾跡的新特點。
中國科大學(xué)國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣重點實驗室副研究員謝良海構(gòu)建了太陽風(fēng)與小行星互相作用的三維PIC模型，用于定量剖析周圍電場和等離子體特點。研究發(fā)覺，小行星表面電勢最高出現(xiàn)在日下點附近，可達+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，可小于10V/m。據(jù)悉，研究剖析不同自轉(zhuǎn)狀態(tài)下的情況（-3）發(fā)覺，當長軸和太陽風(fēng)垂直時（Case1）形成的電勢大小及空間范圍最大，其晨昏線附近電場可達20V/m。
該研究對不同太陽風(fēng)條件下的帶電特點進行研究發(fā)覺天體物理雜志，太陽風(fēng)速率會導(dǎo)致向陽面電勢降低，太陽風(fēng)氣溫會導(dǎo)致背陽面電勢降低。據(jù)悉，在向陽面光電離作用占主導(dǎo)，在近表面附近會產(chǎn)生光電子鞘層，電子密度最高可達107.5m-3。在背陽面，因為太陽風(fēng)離子被小行星抵擋和吸收，產(chǎn)生一個低密度空腔，密度可高于1m-3。周圍太陽風(fēng)離子會企圖填充密度空腔，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，產(chǎn)生錐形的尾跡結(jié)構(gòu)。關(guān)于地球上的類似尾跡結(jié)構(gòu)已有研究，并已構(gòu)建自相像等離子體擴散理論（self-）。該理論主要考慮熱運動和雙極擴散電場對離子填充的作用，得到的錐角大小取決于離子波速和太陽風(fēng)速率的比值。該理論就能較好地解釋觀測到的地球尾跡結(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)。但是，該研究發(fā)覺模擬得到的尾跡錐角大小整體比理論模型值大（圖2），非常是除離子波速和太陽風(fēng)速率，錐角都會隨太陽風(fēng)密度變化。基于此，該研究提出不僅熱運動和雙極擴散，背陽面的表面負電也會加速太陽風(fēng)離子向密度空腔的填充天體物理雜志，并帶來較快的填充速率以及較大的尾跡錐角。在地球上因為表面等離子鞘比尾跡規(guī)格小，其表面電場的作用不顯著。而對于而言，其表面等離子鞘的長度與尾跡縱向尺度相當，因而表面電場的作用顯得更重要。
該研究定量給出了小行星周圍的電場和等離子體密度分布，為我國天問二號任務(wù)小行星取樣過程表面電位差控制以及空間環(huán)境偵測方案的制訂提供了根據(jù)。據(jù)悉，該研究發(fā)覺了新的尾跡產(chǎn)生理論，提高了人們對太陽風(fēng)與小天體互相作用的認知。上述成果對探究其他無大氣天體的空間環(huán)境具有重要參考意義。相關(guān)研究成果發(fā)表在《天體化學(xué)刊物》（The）上。
論文鏈接
圖1.?小行星周圍電勢和電場分布
圖2.不同太陽風(fēng)條件下的尾跡結(jié)構(gòu)，圖中紅色數(shù)字是模擬得到的錐角大小，綠色數(shù)字是理論模型給出的錐角大小