激波是空間和天文中一種常見(jiàn)而又重要的物理現(xiàn)象，在能量耗散和高能粒子加速方面發(fā)揮重要作用。太陽(yáng)風(fēng)暴（CME）驅(qū)動(dòng)的激波可以產(chǎn)生持久的太陽(yáng)高能粒子事件和射電暴，具有重要的空間天氣效應(yīng)。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心劉潁研究員團(tuán)隊(duì)在CME驅(qū)動(dòng)激波的三維形態(tài)和運(yùn)動(dòng)學(xué)、激波粒子動(dòng)理學(xué)、激波特征與高能粒子釋放的關(guān)系、激波與日冕波動(dòng)的關(guān)聯(lián)等方面取得了一系列原創(chuàng)性成果。近期，科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了近日太陽(yáng)風(fēng)條件下激波的動(dòng)理學(xué)特征。

　　當(dāng)前對(duì)CME驅(qū)動(dòng)激波的研究主要集中在1 AU（日地平均距離）附近，主要原因是大部分空間探測(cè)衛(wèi)星都部署在1 AU附近或近地軌道上，例如：Wind、STEREO、Cluster、雙星和MMS等，這使得我們對(duì)近日原初太陽(yáng)風(fēng)條件下新生CME驅(qū)動(dòng)激波的特性了解甚少。激波主要的太陽(yáng)高能粒子加速發(fā)生在離太陽(yáng)比較近的距離，而科研團(tuán)隊(duì)的分析表明，快激波事件在近日太陽(yáng)風(fēng)中的馬赫數(shù)可以達(dá)到10~15，這些新生的近日激波和通常在1AU附近觀測(cè)到的低馬赫數(shù)激波存在很大差異。最近2年里，國(guó)際上相繼發(fā)射了太陽(yáng)抵近觀測(cè)衛(wèi)星“帕克太陽(yáng)探針” （Parker Solar Probe，簡(jiǎn)稱(chēng)PSP）和太陽(yáng)環(huán)繞觀測(cè)衛(wèi)星（Solar Orbiter），這為研究近日激波提供了前所未有的機(jī)會(huì)。

　　楊忠煒副研究員基于Parker Solar Probe (PSP)衛(wèi)星前三軌獲得的近日點(diǎn)太陽(yáng)風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用全粒子模擬（PIC）研究了CME驅(qū)動(dòng)激波的動(dòng)理學(xué)特征。研究發(fā)現(xiàn)：（1）在激波前沿，反射離子與當(dāng)?shù)靥?yáng)風(fēng)背景電子之間存在相對(duì)漂移（圖一），離子束流與具有多普勒頻移的電子伯恩斯坦模耦合觸發(fā)電子回旋漂移不穩(wěn)定性（ECDI），激發(fā)出具有多支諧波的準(zhǔn)靜電模（圖二）；（2）這些靜電波能加速一部分太陽(yáng)風(fēng)電子并形成弱相對(duì)論級(jí)別的環(huán)狀速度分布。這些環(huán)狀分布的電子與背景熱電子繼續(xù)相互作用，在多普勒頻移的高混雜頻率附近激發(fā)出雙向靜電波；（3）被靜電波多次加速的電子能夠激發(fā)指向上游的高頻電磁波（X模），其物理機(jī)制類(lèi)似于馬里蘭大學(xué)吳京生教授提出的電子回旋脈澤輻射機(jī)制（Cyclotron Maser Instability，這個(gè)機(jī)制成功解釋過(guò)著名的地球極區(qū)弱相對(duì)論級(jí)電子激發(fā)千米波輻射等物理現(xiàn)象）；（4）通過(guò)一系列激波參量研究，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)馬赫數(shù)降低到5甚至更低時(shí)，ECDI依然普遍存在；當(dāng)馬赫數(shù)大于10時(shí)，ECDI還往往夾雜著B(niǎo)uneman不穩(wěn)定性，使得朗繆爾振蕩頻率（或高混雜頻率）附近的靜電波大幅振強(qiáng)，從而有效加速電子并激發(fā)高頻電磁波；（5）他們還將二維模擬擴(kuò)展到三維，研究表明在三維模擬中存在與二維模擬相似的波動(dòng)特性。ECDI沿激波面激發(fā)的靜電波可以強(qiáng)于沿激波法向激發(fā)的靜電波。

　　在今后的5至6年中，太陽(yáng)活動(dòng)將逐漸進(jìn)入極大期。我們可以預(yù)見(jiàn)將有大量的太陽(yáng)爆發(fā)和CME驅(qū)動(dòng)的快激波事件。PSP也將更加抵近太陽(yáng)，預(yù)計(jì)能觀測(cè)到從27.8~10個(gè)太陽(yáng)半徑處的太陽(yáng)風(fēng)和激波特性。PSP上的FIELDS儀器和SWEAP儀器將為我們帶來(lái)就地探測(cè)的太陽(yáng)風(fēng)電磁場(chǎng)和等離子體數(shù)據(jù)。其中，F(xiàn)IELDS的頻率觀測(cè)范圍能覆蓋高頻射電暴（電磁波）和低頻的等離子體波動(dòng)。這為觀測(cè)和數(shù)值模擬的直接對(duì)比提供了難得的機(jī)遇。

　　論文發(fā)表在The Astrophysical Journal Letters上。該項(xiàng)研究揭示了在10個(gè)太陽(yáng)半徑處的電子加速機(jī)制、微觀不穩(wěn)定性以及靜電波和電磁波的激發(fā)機(jī)制；首次提出了有別于三波相互作用等非線性過(guò)程激發(fā)II型射電暴的可能機(jī)制，即激波面內(nèi)自激發(fā)的靜電波將部分太陽(yáng)風(fēng)電子加速到弱相對(duì)論級(jí)別后進(jìn)一步激發(fā)高頻電磁波的相對(duì)論線性激發(fā)機(jī)制。為激波電子加速機(jī)制和射電激發(fā)的研究開(kāi)拓了新的思路，并為PSP和Solar Orbiter對(duì)激波微觀結(jié)構(gòu)、高頻射電信號(hào)以及等離子體波動(dòng)的觀測(cè)提供了預(yù)言。

　　文章鏈接：

　　Zhongwei Yang, Ying D. Liu, Shuichi Matsukiyo, Quanming Lu, Fan Guo, Mingzhe Liu, Huasheng Xie, Xinliang Gao and Jun Guo, PIC simulations of microinstabilities and waves at near-Sun solar wind perpendicular shocks: Predictions for Parker Solar Probe and Solar Orbiter, 2020, ApJL, 900, L24 (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abaf59).

　　圖一： 近日太陽(yáng)風(fēng)條件下激波粒子的動(dòng)理學(xué)行為（左）和相互耦合特性（右）。在不同的區(qū)域：A區(qū)（foot前沿）和B區(qū)（深度f(wàn)oot），波動(dòng)的特性和粒子耦合情況各不相同。

　　圖二：近日太陽(yáng)風(fēng)條件下激波內(nèi)部自激發(fā)的靜電波和電磁波模特性。子圖（a-c）和（d-f）分別給出了激波A區(qū)和B區(qū)波動(dòng)色散關(guān)系的三維可視化結(jié)果。各個(gè)子圖頂部黑色箭頭所指的方向是激波法向。