山东大学团队联合国内外学者发现地月空间“宇宙线空腔”，或可为星际航行辐射规避提供优化路径

近日，山东大学空间科学与技术学院、空间科学研究院史全岐教授团队联合国内外科研人员，利用我国嫦娥四号月球着陆器搭载的月表中子及辐射剂量探测仪长期观测数据，在地月空间发现了一种新的空间结构—“宇宙线空腔”，表明地球磁场对行星际空间环境的影响范围不再局限于地球磁层，还可延伸至月球轨道距离，从而在太空中形成一个可降低高能粒子辐射的天然“避风港”。相关成果以“A galactic cosmic ray cavity in Earth-Moon space”为题，于3月26日发表在国际综合性期刊Science Advances。空间科学与技术学院博士后商文赛，加拿大阿尔伯塔大学刘吉和美国加州理工学院徐子贡为论文共同第一作者；山东大学教授史全岐和德国基尔大学教授Robert Wimmer-Schweingruber为共同通讯作者，校内合作者还包括空间科学与技术学院郭瑞龙教授、田安民副教授、Alexander Degeling教授、王慧姿副研究员、Jong-Sun Park研究员、韩晨尧博士等。此外，北京大学、中国科学技术大学、北京航空航天大学、中国科学院国家天文台、西藏大学、烟台大学等单位科研人员参与合作研究。

银河宇宙线一般被认为是起源于银河系深处的高能带电粒子流，具有极强的穿透力和电离效应，会破坏航天器的电子器件和生物组织，是深空环境中最具危害性的辐射源之一，目前针对载人深空旅行尚无有效的防护措施。传统观测与理论研究通常认为，银河宇宙线在行星际空间中近乎各向均匀分布，因其极高能量和强穿透性，天然屏蔽效应通常只出现在强磁化天体的磁场范围内。例如，地球全球磁场形成的磁层能够有效偏转和阻挡部分带电粒子，使近地空间辐射水平显著降低，并在地球表面维持有利于生命存在的环境；而在磁层之外的地月空间或行星际空间区域，则长期被认为缺乏显著的天然辐射屏蔽结构。因此，深空探测中高能粒子辐射防护是关乎航天员安全与航天器可靠运行的关键问题之一。

黄道平面内银河宇宙线空腔的形成示意图

我国嫦娥四号于2019年1月3日成功着陆月背，开启了人类月球背面探测新时代。其搭载的月表中子及辐射剂量探测仪由中德联合研制，可随月球绕地运行并对地月空间辐射环境进行以月球公转周期（约28天）为尺度的周期性扫描观测。研究团队通过分析任务期间积累的三年多连续观测数据，在月球轨道日侧首次发现银河宇宙线通量显著降低的空间区域，表明地月空间中存在一个“宇宙线空腔”（如示意图所示），在其中低能段宇宙线粒子辐射强度较低。团队随后通过美国月球勘测轨道器探测结果独立交叉验证了该空腔的存在，并结合数值模拟从物理机制层面确认其源于地球磁场对银河宇宙线传播路径的调制作用。形象而言，强大的地球磁场如同水流中的礁石，改变沿大尺度行星际磁场传播的宇宙线粒子流的运动，从而在其背向区域形成宇宙线粒子密度降低的“空腔”。

这一结果表明，地球磁场在其存在范围之外的地月空间尺度仍可以调制和影响深空高能粒子分布格局。研究进一步预测，类似的宇宙线空腔现象也可能广泛存在于其他具有强磁场的行星周围，或可为深空探测任务的辐射规避策略以及未来星际航行路径优化提供新的科学依据和应用思路。

该研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目的支持。山东大学空间科学研究院磁层和太阳风相互作用课题组长期开展地球、月球及其他行星的空间环境研究，注重国际合作，近年来取得了一系列重要进展，在Nature Physics、ScienceAdvances、Nature Communications、Space Science Reviews等业内权威期刊发表论文百余篇，获得多项国内外重要学术奖励。团队组建的空间辐射探测实验室致力于通过自研仪器获得一手探测数据，并据此开展原创性、交叉性科学研究，同时积极承担相关任务服务国家战略，力争在空间辐射环境的预警和防护方面为我国近地及深空探测活动作出贡献。团队自主设计研制的近地轨道中子和带电粒子谱仪于2024年、2025年分别搭载“未名一号”卫星和“迪迩五号空间试验器”成功发射入轨。

近年来团队培养的本科生和研究生产出多项高水平成果，其中7篇论文分别被选作JGR期刊封面及NASA-THEMIS卫星、AGU会刊EOS、美国宇航局(NASA)、美国天文学会(AAS)和《自然》杂志亮点成果。学生在读期间获国自然青年学生基础研究项目、省优秀博士/硕士/本科毕业论文、中国地球物理学会优秀博士论文等项目资助和荣誉奖励；其中3人已成长为国家和省级人才，获批国家基金委海外“优青”、山东省泰山学者等。

（大众新闻记者 王原 通讯员 车慧卿 王一晗）