太陽風(fēng)加速問題一直是太陽物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。自從尤金·帕克于1958年提出太陽風(fēng)理論以來，建立用于解釋太陽風(fēng)加速機(jī)制的模型通常需要1AU處的太陽風(fēng)觀測結(jié)果作為約束條件。 帕克太陽探測器（Parker Solar Probe, 簡稱“PSP”）是歷史上第一個(gè)進(jìn)入太陽大氣觀測的航天器，為研究年輕太陽風(fēng)的起源和加速提供了寶貴的機(jī)會(huì)。

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心（以下簡稱“空間中心”）太陽活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉潁、王瑞課題組從PSP前17軌的觀測中，鑒定出所有穩(wěn)定的冕洞太陽風(fēng)，冕流太陽風(fēng)，以及低馬赫數(shù)邊界層（LMBL）太陽風(fēng)。其中，LMBL是劉潁研究員等人（2023）提出的一種起源于冕洞邊界的特殊太陽風(fēng)，具有低速度，低密度，低阿爾芬馬赫數(shù)的特點(diǎn)。我們將這三種類型太陽風(fēng)的各個(gè)參數(shù)的徑向演化趨勢(shì)與雙流體等溫-多方流體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了對(duì)比研究。

圖1展示了建模結(jié)果和觀測結(jié)果的對(duì)比。結(jié)果呈現(xiàn)了太陽風(fēng)加速過程中，速度，密度，溫度等參數(shù)的變化趨勢(shì)。質(zhì)子溫度和電子溫度在來源于冕洞，冕流，LMBL的三種類型太陽風(fēng)中的下降速率均低于絕熱膨脹的下降速率，表明近太陽環(huán)境存在普遍加熱。通過建模結(jié)果和觀測數(shù)據(jù)的對(duì)比，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)上述模型可以復(fù)現(xiàn)大部分太陽風(fēng)演化趨勢(shì)。而對(duì)于40個(gè)太陽半徑之外的冕洞太陽風(fēng)，模型預(yù)測的速度略低于實(shí)際測量，這可能表明存在除熱壓之外的加速機(jī)制，例如阿爾芬波壓力的加速。

圖1：太陽風(fēng)參數(shù)的徑向演化以及和模型的對(duì)比。

表 1 總結(jié)了圖 1中雙流體等溫-多方流體動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)參數(shù)。對(duì)于質(zhì)子的多方指數(shù)來說，冕洞太陽風(fēng)最小，為1.18。而冕流太陽風(fēng)最大，為1.35。LMBL介于兩者之間，為1.30。冕洞太陽風(fēng)質(zhì)子較低的多方指數(shù)表明其接近等溫（多方指數(shù)為1）狀態(tài)，其獲得了更多的加熱和加速。不同源區(qū)太陽風(fēng)的初始質(zhì)子溫度之間存在較大差異，其中冕洞太陽風(fēng)對(duì)應(yīng)最高的初始質(zhì)子溫度（約2.0 Mk），而冕流太陽風(fēng)的初始質(zhì)子溫度只能達(dá)到0.5 Mk附近。與質(zhì)子情況形成對(duì)比的是，三種類型的太陽風(fēng)電子多方指數(shù)和初始溫度都非常相似，分別約為1.36和略高于1 Mk。因此三種源區(qū)類型的太陽風(fēng)的電子溫度的演化趨勢(shì)沒有顯著區(qū)別。聲速臨界點(diǎn)位置為3.6-7.3太陽半徑。阿爾芬臨界點(diǎn)對(duì)于冕洞和冕流太陽風(fēng)約為12個(gè)太陽半徑，對(duì)于LMBL則超過20個(gè)太陽半徑。上述結(jié)果符合PSP就地觀測。

表1：等溫-多方模型的相關(guān)參數(shù)。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探究質(zhì)子和電子熱壓力在太陽風(fēng)加速中的作用。圖2展示了消除徑向效應(yīng)后太陽風(fēng)速度相對(duì)于質(zhì)子和電子溫度的關(guān)系。一個(gè)特別的結(jié)果是，當(dāng)徑向效應(yīng)被消除后，質(zhì)子溫度與太陽風(fēng)速度呈二次正相關(guān)，這表明熱能與動(dòng)能之間存在線性關(guān)系，更高的溫度會(huì)致使更多的加速。相對(duì)而言，電子溫度在不同速度和類型的太陽風(fēng)中均保持恒定值。這可能表明電子熱壓力對(duì)不同源區(qū)類型的太陽風(fēng)加速具有相似的貢獻(xiàn)，太陽風(fēng)速度的差異主要由質(zhì)子熱壓力決定?？傮w而言，冕洞太陽風(fēng)的質(zhì)子溫度和速度最高，冕流太陽風(fēng)最低。而LMBL風(fēng)的質(zhì)子溫度和速度變化幅度較大，可能達(dá)到極低值，這可能導(dǎo)致LMBL風(fēng)的聲速臨界點(diǎn)顯著向外延伸。

圖2：消除徑向效應(yīng)后速度質(zhì)子和電子溫度的關(guān)系。

論文發(fā)表于The Astrophysical Journal Letters，第一作者為空間中心研究生焦怡明。該研究通過評(píng)估太陽風(fēng)中可能的流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制，揭示質(zhì)子與電子熱壓力在太陽風(fēng)加速中的貢獻(xiàn)，對(duì)于理解年輕太陽風(fēng)的加速具有重要意義。

Citation: Yiming Jiao, Ying D. Liu*, Wenshuai Cheng, Hao Ran and Rui Wang, On the Acceleration of the Young Solar Wind from Different Source Regions, 2024, The Astrophysical Journal Letters, 975, L41.

(https://doi.org/10.3847/2041-8213/ad85ea)

（供稿：天氣室）