激波是宇宙中一種常見而又基本的物理現(xiàn)象。在太陽系中，太陽風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)的激波（CME-driven shock）可以產(chǎn)生持久的太陽高能粒子事件和射電暴，行星的舷/弓激波（Bow shock）可以改變太陽風(fēng)粒子和磁場狀態(tài)，日球?qū)咏K止激波（Termination shock）能夠加速新生離子產(chǎn)生異常宇宙射線。在天體物理中，超新星遺跡驅(qū)動(dòng)的激波（Supernova remnant shock）能夠產(chǎn)生銀河宇宙射線（GCR）。近期，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉潁研究員團(tuán)隊(duì)通過分析多衛(wèi)星高分辨率數(shù)據(jù)，給出了激波所固有的基本特性---激波再形成（shock self-reformation）---的明確證據(jù)。

　　在上世紀(jì)80年代，基于早期的超算集群模擬，國際上一些科學(xué)家（例如美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室的Kevin B. Quest、法國科學(xué)院的Bertrand Lembege等）提出了在無碰撞等離子體中，較高馬赫數(shù)激波（Supercritical shock）反射一部分上游入流離子，這些回旋反射的離子能促使形成新的激波面，當(dāng)新的激波面生長成熟后，它能夠取代老的激波面并反射上游離子。這個(gè)過程周而復(fù)始，稱為激波再形成（shock self-reformation），是激波的一個(gè)基本物理特性。研究激波面再形成這個(gè)基本物理問題，對揭示無碰撞激波微觀結(jié)構(gòu)本身、了解能量耗散過程、以及理解高能粒子的加速機(jī)制具有重要的意義。

　　目前，對激波再形成的觀測大多是基于磁場變化，缺乏粒子證據(jù)，以前粒子探測數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率很低，這使得科學(xué)界對激波再形成特性了解甚少。激波再形成的確鑿觀測證據(jù)之所以一直是個(gè)難題，主要原因是觀測需要同時(shí)滿足以下幾個(gè)條件：（1）必須是多點(diǎn)衛(wèi)星觀測；（2）適當(dāng)?shù)男l(wèi)星間距和相對位置，至少有兩顆衛(wèi)星沿著激波法向分開一定距離，先后觀測到的激波能鑒別出演化過程又落在同一個(gè)再形成周期里邊為最佳；同時(shí)，沿著激波面方向也需要至少兩顆衛(wèi)星以排除激波漣漪的影響；（3）穿越過程中對帶電粒子速度分布函數(shù)的高分辨率、高質(zhì)量、連續(xù)的觀測。最近國際上發(fā)射了磁層多尺度星簇計(jì)劃（Magnetospheric Multiscale Mission，簡稱MMS），4顆衛(wèi)星位形及間距合適，并能以150毫秒和30毫秒的分辨率測量離子和電子的三維速度分布函數(shù)，為研究激波再形成過程提供了難得的機(jī)會(huì)。

　　研究團(tuán)隊(duì)楊忠煒副研究員基于MMS衛(wèi)星的激波觀測數(shù)據(jù)，利用磁場和等離子體探測器（Fast Plasma Investigation，簡稱FPI）的就地測量，首次觀測到地球舷激波的完整再形成證據(jù)，并從粒子動(dòng)理學(xué)特性揭示了再形成機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)2016年1月11日，MMS穿越激波時(shí)，在激波法向的衛(wèi)星間距分別在10~30 千米（圖一），MMS1和MMS2先后穿越的激波面的時(shí)間正好落在同一個(gè)再形成周期（約2.7秒）內(nèi)。如圖二(e)所示，MMS1首先觀測到老的激波面正在強(qiáng)烈的反射太陽風(fēng)離子，此時(shí)激波面處在再形成中陡峭而強(qiáng)烈（峰值接近60 nT）的時(shí)刻。緊隨其后，MMS2觀測到了新老激波面此消彼長的過程，此時(shí)老的激波面減弱到了40 nT左右，激波腳（foot）正在成長為新的激波面。根據(jù)理論，此時(shí)的新激波面還不足以反射太陽風(fēng)離子，它們能夠直接穿過新激波面直到遇見尚未消亡的老激波面才開始反射，這一點(diǎn)在圖二(a)-(d)中得到了證實(shí)。此外，MMS2還觀測到被老激波面反射的離子還在源源不斷地往上游方向回旋，因此在新的激波面處能同時(shí)觀測到入射的太陽風(fēng)冷流和反射離子兩種成分，而且兩者在速度空間沒有銜接，說明反射離子源自別處（連續(xù)的速度分布函數(shù)證明了他們源自老激波面處，參見圖3和圖4動(dòng)畫）。上述觀測結(jié)果與數(shù)值模擬的預(yù)言吻合的很好。

　　這是首次完整的在離子回旋時(shí)間尺度上給出了激波再形成過程中的電磁場演化和粒子動(dòng)理學(xué)特性的直接觀測證據(jù)。研究揭示，再形成這個(gè)非穩(wěn)態(tài)特性能夠讓激波面厚度、強(qiáng)度、電磁場位形發(fā)生劇烈的變化，并且存在著豐富的粒子動(dòng)理學(xué)過程。以往大量的理論研究表明，激波對粒子的加速機(jī)制（例如激波沖浪加速機(jī)制等）十分依賴激波面的厚度和電磁場精細(xì)結(jié)構(gòu)，而激波中的能量耗散與熵增過程取決于粒子速度分布函數(shù)的演化。因此，激波再形成被認(rèn)為是無碰撞激波中決定能量耗散和粒子加速的最關(guān)鍵的基本物理過程之一。

　　該研究成果發(fā)表在 The Astrophysical Journal Letters上。審稿人評價(jià)：“首次給出了如此高分辨率的激波再形成過程，與理論預(yù)言符合的很好”（the observations presented here are the first with such high time resolution, and the observations presented agree remarkably well with some simulations of the reformation process），“很有說服力”（pretty convincing），“論文令人欽佩的簡潔”（admirable in its brevity），“希望看到這一工作激發(fā)觀測和模擬更進(jìn)一步的比較”（stimulate some closer comparison between the data and simulations）。

　　文章鏈接：

　　Zhongwei Yang, Ying D. Liu, Andreas Johlander, George K. Parks, Benoit Lavraud, Ensang Lee, Wolfgang Baumjohann, Rui Wang and James L. Burch, MMS direct observations of kinetic-scale shock self-reformation, 2020, ApJL, 901, L6.

　　(https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abb3ff).

　　圖一：MMS星簇在穿越地球舷激波時(shí)的衛(wèi)星間距和相對位置。

　　圖二：MMS2（a-d）和MMS1（e）觀測到激波再形成中不同時(shí)刻的動(dòng)理學(xué)特性。新老激波面交替時(shí)，入射太陽風(fēng)離子(標(biāo)記為“I”)與反射離子（標(biāo)記為“R”）形成了相空間渦旋(d中用虛線橢圓標(biāo)出)?！癛P”指離子反射點(diǎn)。

　　圖三：MMS2觀測到的激波再形成中不同位置的離子速度分布函數(shù)特性。

　　圖四：MMS2從激波上游到下游連續(xù)觀測到的離子速度分布函數(shù)三維可視化（150毫秒分辨率），包括激波再形成中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)—相空間渦旋。