太陽(yáng)風(fēng)加速和加熱是太陽(yáng)和空間物理懸而未決的重大科學(xué)問(wèn)題。其本質(zhì)是動(dòng)理學(xué)（kinetic）過(guò)程，而質(zhì)子和阿爾法粒子之間的差分特性是其中的關(guān)鍵特征。盡管阿爾法粒子（He++）質(zhì)量較質(zhì)子（H+）更大，但卻有著更高的速度和溫度，這表明阿爾法粒子被優(yōu)先加速和加熱。研究質(zhì)子和阿爾法粒子之間的差分特性，對(duì)于理解太陽(yáng)風(fēng)的加速加熱機(jī)制至關(guān)重要。

　　Parker Solar Probe（PSP）衛(wèi)星在人類從未涉足的區(qū)域?qū)μ?yáng)風(fēng)進(jìn)行了就地測(cè)量，特別是從2021年開始觀測(cè)到了亞阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)，首次提供了在太陽(yáng)風(fēng)加速的源區(qū)來(lái)研究質(zhì)子和阿爾法粒子差分特性的機(jī)會(huì)。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉潁研究員課題組利用PSP的就地測(cè)量數(shù)據(jù)，致力于解答以下關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：（1）質(zhì)子和阿爾法粒子的差分速度在PSP觀測(cè)距離上（<0.3AU）隨著太陽(yáng)風(fēng)速度是如何變化的？（2）該差分速度在阿爾芬表面內(nèi)外有什么區(qū)別？（3）PSP在太陽(yáng)附近所觀測(cè)到的普遍存在的磁力線回轉(zhuǎn)現(xiàn)象（本質(zhì)為阿爾芬波動(dòng)）對(duì)差分速度造成怎樣的影響？

　　圖1展示了在超阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)（第一行）與亞阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)（第二行）中差分速度與阿爾芬速度之比（Vap/VA, 第一列）和磁力線偏轉(zhuǎn)角（第二列）的分布。在超阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)中，Vap/VA幾乎完全處于（0，1）的區(qū)間，并且隨著太陽(yáng)風(fēng)速度的增加而增大。Vap/VA<0的值出現(xiàn)在最慢的太陽(yáng)風(fēng)中，而Vap/VA>1的值較為稀少且出現(xiàn)在最快的太陽(yáng)風(fēng)中。磁偏轉(zhuǎn)角的分布表明磁力線順時(shí)針偏轉(zhuǎn)（負(fù)值）占據(jù)主導(dǎo)，研究人員認(rèn)為這是由于帕克螺旋線本身順時(shí)針的幾何形狀所導(dǎo)致的。太陽(yáng)風(fēng)速度越快，這樣的偏向性順時(shí)針偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象越不明顯，這是由于在更快的太陽(yáng)風(fēng)中帕克螺旋線更加徑向。對(duì)于亞阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)，仍舊可以看到差分速度隨著太陽(yáng)風(fēng)速度的增加而增大，Vap/VA小于0的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在最慢的太陽(yáng)風(fēng)中，而Vap/VA大于1的值則幾乎消失。磁偏轉(zhuǎn)角也有偏向性順時(shí)針偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，但是隨著太陽(yáng)風(fēng)速度的變化其大小幾乎保持不變（分布寬度相同）。這符合劉潁等人在2023年提出的“低馬赫數(shù)邊界層”(LMBL)理論，即所觀測(cè)到的亞阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)來(lái)源于冕洞的邊界，其較低的阿爾芬馬赫數(shù)抑制了阿爾芬波動(dòng)，從而導(dǎo)致在任何速度的太陽(yáng)風(fēng)中磁偏轉(zhuǎn)角均較小。

圖1：質(zhì)子和阿爾法粒子的差分速度與磁力線偏轉(zhuǎn)角的分布

　　圖2展示了質(zhì)子和阿爾法粒子的差分速度隨著磁偏轉(zhuǎn)角與阿爾芬馬赫數(shù)的演化。由左圖可知，差分速度隨著磁偏轉(zhuǎn)角的增加有減小的趨勢(shì)。而右圖指出，總體而言，差分速度先是隨著阿爾芬馬赫數(shù)增加，一直到MA~2的位置然后再開始降低，這表明阿爾法粒子在阿爾芬表面以外仍然被優(yōu)先加速，而以往的研究則認(rèn)為對(duì)阿爾法粒子的優(yōu)先加速主要發(fā)生在阿爾芬表面以內(nèi)區(qū)域。研究人員進(jìn)一步給出了不同速度范圍的太陽(yáng)風(fēng)內(nèi)差分速度隨阿爾芬馬赫數(shù)的演化，在較慢的太陽(yáng)風(fēng)中，阿爾法粒子的優(yōu)先加速發(fā)生于阿爾芬表面以內(nèi)區(qū)域；而在最快的太陽(yáng)風(fēng)中，阿爾法粒子的優(yōu)先加速持續(xù)至阿爾芬表面以外區(qū)域。研究人員認(rèn)為快太陽(yáng)風(fēng)中阿爾法粒子在阿爾芬表面以外仍然被優(yōu)先加速的原因有兩點(diǎn)：快太陽(yáng)風(fēng)中對(duì)重離子的優(yōu)先加速機(jī)制更強(qiáng)，或粒子之間的庫(kù)倫碰撞更稀少。

圖2：差分速度隨著磁偏轉(zhuǎn)角與阿爾芬馬赫數(shù)的演化

　　圖3展示了阿爾法粒子和質(zhì)子在阿爾芬波動(dòng)中的行為。第一行給出了質(zhì)子和阿爾法粒子的徑向速度變化（與阿爾芬速度的比值）隨著磁偏轉(zhuǎn)角的演化。根據(jù)劉潁等人（2023）的理論，質(zhì)子的徑向速度變化與阿爾芬速度的比值應(yīng)該符合1-cos ，研究人員在更大的統(tǒng)計(jì)下驗(yàn)證了這個(gè)關(guān)系。而阿爾法粒子則較為偏離這個(gè)關(guān)系，表明阿爾法粒子受阿爾芬波動(dòng)的調(diào)制更弱。第二行展示了質(zhì)子和阿爾法粒子在阿爾芬表面內(nèi)外法向速度（與阿爾芬速度的比值）隨法向磁場(chǎng)的演化，并標(biāo)注了在不同情況下兩者的相關(guān)系數(shù)。無(wú)論是在阿爾芬表面以內(nèi)還是以外，質(zhì)子均受到了很好的調(diào)制。而阿爾法粒子則是在阿爾芬表面以內(nèi)受到了明顯的調(diào)制，但是在阿爾芬表面以外受到的調(diào)制減弱。研究人員認(rèn)為，在阿爾芬表面以內(nèi)，差分速度相對(duì)于阿爾芬速度較小，這導(dǎo)致阿爾法粒子和質(zhì)子在阿爾芬波動(dòng)中受到的調(diào)制相近。

圖3：阿爾法粒子和質(zhì)子在阿爾芬波動(dòng)中的行為

　　該論文發(fā)表于The Astrophysical Journal，第一作者為研究生冉豪，通訊作者為劉潁研究員。此項(xiàng)研究揭示了質(zhì)子和阿爾法粒子的差分速度在年輕太陽(yáng)風(fēng)中的關(guān)鍵特性，包括隨太陽(yáng)風(fēng)速度的變化、在阿爾芬表面內(nèi)外的對(duì)比、對(duì)阿爾芬波動(dòng)的響應(yīng)等，對(duì)理解太陽(yáng)風(fēng)的加速和加熱機(jī)制（特別是對(duì)重離子的優(yōu)先加速）具有重要意義。審稿人評(píng)價(jià)：“這是對(duì)帕克太陽(yáng)探測(cè)器在首次觀測(cè)到阿爾芬面附近太陽(yáng)風(fēng)的一次新穎的研究...”“這份研究報(bào)告了在全新的觀測(cè)區(qū)域內(nèi)阿爾法粒子-質(zhì)子差分流的新穎且有用的觀測(cè)...”“并且給出了對(duì)可能的物理機(jī)制的有用探討?！保ā癟his is a novel line of investigation since Parker provides such measurements for the first time…”, “this study reports useful and novel measurements of alpha-proton differential streaming in a new regime of the solar wind…”, “gives useful discussion on possible physical implications.”）

　　Citation:

　　Hao Ran, Ying D. Liu, Chong Chen, and Parisa Mostafavi, The Alpha-Proton Differential Flow in the Alfvenic Young Solar Wind: From Sub-Alfvenic to Super-Alfvenic, 2024, The Astrophysical Journal, 963, 82

　　https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad2069

　　（供稿：天氣室）