月球软X射线成像仪对地球磁层的全景观测—— | |SCES封面文章
中国科学院国家空间科学中心王赤院士团队提出，以月球科研站为平台，配置宽视场、高分辨率的软X射线成像仪，实现地球磁层全景成像
太阳活动是影响地球空间天气的重要驱动因素。太阳风挤压或拉伸地球磁层，与近地空间环境耦合，引起地磁扰动和带电粒子剧烈变化，严重干扰地球通信、导航和空间技术系统的正常运行，危及人类空间活动。从全球视角观察地球磁层，可以提高人们对太阳风-磁层相互作用动态过程的认识。月基软X射线成像仪(Lunar-based Soft X-ray Imager, 简称“LSXI”)将首次通过对弓激波、磁鞘区、磁层顶和极尖区等区域的同时连续观测，监测太阳风作用下的空间天气演化过程。
该研究相关论文题为“用于地球磁层的月球软x射线成像仪(lsxi)”，是一篇 《中国科学：地球科学》 2021年第7期封面文章(图1)，由中国科学院国家空间科学中心王驰院士担任通讯员。研究人员提出部署具有宽视场、高分辨率观测能力的软X射线成像仪，即——月球基软X射线成像仪，实现地球磁层全景成像。
图1《中国科学地球科学》2021年第7期《中国科学：地球科学》封面
在过去的半个世纪里，依靠磁层观测卫星，我们对磁层的结构和物理演化有了革命性的认识。目前我们的认知主要来自卫星的原位观测和相关的理论模型。例如，像星团和双星这样的任务提供了关于磁层等离子体的重要信息。但由于探测点数量有限，很难全面揭示相关物理过程。
近年来，一种新的软X线成像技术引起了研究人员的关注，其成像原理受到龙虾眼结构的启发(图2、图3)。这种新型成像仪是一种具有光谱分辨率的宽视场软X射线望远镜。未来，这项技术将成为研究地球空间环境的有力工具。
图2月基软X射线成像仪光学设计
图3龙虾眼结构成像原理(a)及焦平面散射图分布(b)
在成功实施探月工程的前三项任务后，中国正在制定第四项任务的研究计划。在此背景下，作者团队提出了月基软X射线成像仪的任务构想(图4)。利用月球观测位置，LSXI将利用最先进的成像技术，长时间连续观测地球磁层全景图像。此外，结合天基和地基探测数据，观测结果将为磁层物理研究带来深刻启示，并将应用于空间天气灾害的预测和应对。此次任务由中国科学院国家空间科学中心牵头，国内外合作机构承担，包括英国伦敦大学学院穆拉德空间科学实验室、英国莱斯特大学等。计划于2027年推出。
图4从月球表面观测磁层的任务设计概念
与其他轨道观测方案相比，月球平台具有许多优势。首先，月球与地球同步自转，月球始终面向地球的同一侧。在面向地球的一侧放置成像装置，有利于实现对磁层的连续观测；其次，月球与地球的距离约为38万公里(60RE)，因此LSXI视场几乎可以覆盖整个磁层顶面向阳面区域，使得监测全景太阳风-磁层相互作用的动态过程成为可能。第三，与卫星平台寿命短不同，月球是一个稳定的观测平台。这使得基于月球的观测能够覆盖一个或多个太阳活动周期。