利用歐空局“Cluster Constellation”任務18年來的資料，科學家們繪製了地球周圍空間中的重金屬地圖，發現了出人意料的鐵分佈和流動，並揭示了我們宇宙環境的組成。空間通常被認為是沒有物質的空蕩蕩區域，但空間並不是真的空的：物質的分佈只是非常非常稀疏。在地球附近，科學家稱之為“地球空間”的空間實際上充滿了帶電粒子：帶負電荷的電子和帶正電荷的離子混合物。
令人驚訝的發現這些離子是我們在地球空間中看到電動力學過程中的關鍵角色，並促成了宇宙這一部分動盪多變的性質。研究使用了歐空局於2000年8月發射的“Cluster Constellation”任務資料，該任務在太空中即將迎來20週年紀念日，以探索一種被認為在地球附近相對罕見的重要離子：鐵。通過深入研究從2001年到2018年收集的資料，研究人員發現了地球空間中出人意料的鐵分佈。
（上圖所示）太陽(左)和太陽風(右)是一種持續流動的帶電粒子（帶負電荷的電子和帶正電荷的離子）滲透太陽系並影響地球磁環境(右)。圖片：ESA; Sun: ESA/NASA/SOHO/LASCO/EIT
其研究發現現已發表在《地球物理研究》期刊上，馬克斯·普朗克太陽系研究所和挪威卑爾根大學伯克蘭空間科學中心的主要作者斯坦·哈蘭德說：雖然數量很少，但到處都發現了鐵：在觀測覆蓋的整個地球空間區域，以及在近地太陽風中不斷湧出的帶電粒子，在大約10%的觀測中發現了鐵，考慮到鐵離子的相對稀缺性，這是令人驚訝的，沒想到會這麼頻繁地發現它。
然而，令人驚訝的不是鐵本身的存在，而是它的性質。日本宇宙航空研究開發機構/美國國家航空航天局(JAXA/NASA)的GeoTail衛星，花了25年多的時間觀察地球磁環境，在2017年探測到地球空間中的單電離的鐵，這些鐵原子只被剝離了最外層的電子。新研究結果不僅證實了這一發現，而且提供了這幅圖景一個重要的新部分。
歐空局“Cluster Constellation”任務觀測集中在比GeoTail高得多的能量範圍，讓我們對地球周圍的空間有了更全面的了解，不僅探測到了單電離的鐵，也探測到了多電離鐵。這些離子處於更高的能量狀態，已經被剝奪了一個以上的電子。太陽風中的鐵往往以較高電荷狀態出現，所以需要這個更寬、更高的能量範圍來了解太陽風及其對地球磁環境的影響。
地球周圍空間中的鐵來源離子可以從上方或下方進入地球空間，一些從地球大氣層向上移動，而另一些則從太陽風流入。鐵等重金屬的來源仍然存在爭議——這些離子從哪裡來，對我們地球周圍看到的現象有何貢獻？GeoTail的觀測重點是鐵從地球大氣層向上移動，能量相當低。研究發現，來自太陽的鐵要多得多，能量也要高得多。同時還在地球極冠上方的區域發現了鐵，這是GeoTail觀測沒有覆蓋的地方。
在先前研究成果的基礎上，這項新研究更深入地探索了電離鐵的潛在來源。這是理解地球空間、磁層、太陽風的動力學和特性，以及這些結構如何相遇和相互作用的關鍵因素。之前的研究提出，在較高緯度探測到鐵離子可能是由於多種因素造成，包括隕石進入地球大氣層並破裂，從大氣層某些層升起的粒子，甚至是從月球丟擲的粒子。然而，新觀測結果並沒有顯示這些過程中任何一個過程令人信服的證據；
（上圖所示）歐空局“Cluster Constellation”任務期間叢集航天器之間的距離。圖片：ESA
相反，研究人員認為鐵直接來自太陽，關於鐵的分佈和存在資料隨著時間的推移而變化，其方式與地球磁場的擾動和太陽活動長期波動相匹配。這表明，地球周圍空間中的大部分鐵來自通過磁層的太陽風，而不是從地球的大氣層向上傳播。為了繪製地球空間的組成圖，研究人員以一種意想不到的方式使用了歐空局“Cluster Constellation”任務的資料。
隱藏在資料中研究人員利用收集的測量值，這些測量值不是為了科學目的，而是為了對航天器的一種儀器——RAPID（自適應粒子成像探測器研究）進行操作診斷。該儀器通過測量在探測器內的能量和旅行時間來識別和表徵檢測到的各種離子。對於普通的科學活動，快速只計算氫、氦和氧原子的這些性質；然而，出於診斷目的，該儀器為有限數量的粒子提供了額外性質，將探測範圍擴大到更重的離子。
這些測量用於校準儀器並確保其按預期執行。然而，科學家們使用這些總共122000小時的診斷性觀察來確定進入的離子組成，並識別鐵粒子。RAPID測量離子組成的能力至關重要，因為需要成分測量來幫助科學家更好地理解在地球上或地球附近發現的各種元素來自哪裡，並描述我們的宇宙環境。了解地球周圍的空間是歐空局“Cluster Constellation”任務核心目標之一。
挖掘檔案歐空局“Cluster Constellation”任務圍繞地球編隊飛行的四個航天器，花了數年時間重複進出地球磁場，以研究太陽和地球如何相互作用，並描述由這些相互作用引起的現象。這項任務的壽命和寬廣的軌道使其能夠收集近20年來覆蓋所有近地空間區域和大部分太陽風的資料。該研究的合著者、馬克斯·普朗克太陽系研究所的首席研究員、RAPH儀器的首席研究員帕特里克·戴利(Patrick Daly)說：
研究需要這麼長的時間跨度，還多虧了歐空局“Cluster Constellation”任務科學檔案館，它為科學界提供了最高品質的資料以供使用。科學家花了相當大的精力來建立這個檔案館，並繼續保持其非常高的校準和可靠性標準。這個檔案館是無數敬業的工程師、航天器操作員和資料歸檔團隊的功勞，他們確保了歐空局“Cluster Constellation”任務保持執行，並仍然提供關於近地空間新的、令人興奮的、可訪問的資訊。
值得注意的是，歐空局“Cluster Constellation”任務科學檔案中的資料集，包括詳細的診斷資料：這些資料通常不包括在所有任務檔案中。歐空局“Cluster Constellation”任務專案科學家Philippe Escoubet說：
這突顯了科學檔案的重要性，特別是診斷資料的重要性，表明如何從這些多功能資料集中收集真正有價值的資訊，以便產生尖端的科學成果。還很好地展示了研究是如何不斷髮展和推進的，在歐空局“Cluster Constellation”任務首次發射時，探測到鐵是一個完全意想不到的結果，但這項任務繼續提供關於地球周圍空間環境的寶貴資料。
參考期刊《地球物理研究》
DOI: 10.1029/2019JA027596