近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院郭靜楠教授和汪毓明教授領(lǐng)銜的國際研究團(tuán)隊(duì)，在太陽高能粒子加速和傳播方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“The delayed arrival of faster solar energetic particles as a probe into the shock acceleration process”為題，發(fā)表在《國家科學(xué)評論》(National Science Review)上。
 

　　傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，太陽爆發(fā)期間釋放的高能量粒子比能量較低的粒子更早到達(dá)觀測者，在動態(tài)能譜中形成常見的粒子速度色散(VD)結(jié)構(gòu)，即高速早到、低速晚到。該研究報道了10個逆向速度色散(IVD，即高速晚到)的太陽高能質(zhì)子事件，認(rèn)為激波擴(kuò)散加速過程將質(zhì)子束縛并加速到幾十MeV是造成這一現(xiàn)象的主要原因，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的圖像，也為直接探查粒子實(shí)際加速過程打開了新的診斷窗口。
 

　　觀測：十個IVD案例與分析方法
 

　　太陽爆發(fā)會把高能粒子拋向日地空間，是航天器與載人任務(wù)的重要輻射風(fēng)險源。傳統(tǒng)認(rèn)識認(rèn)為粒子幾乎同時釋放并且沿著近似相同的行星際路徑到達(dá)探測器，導(dǎo)致能量越高的粒子越早到達(dá)地球，在粒子探測器的動態(tài)能譜圖上表現(xiàn)為速度色散(VD)。近期，歐洲航天局Solar Orbiter搭載的高能粒子探測器在離太陽1AU以內(nèi)的距離處，發(fā)現(xiàn)了多起逆向速度色散事件(IVD)：更高能的質(zhì)子反而更晚到達(dá)。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)梳理了Solar Orbiter2022—2024年的觀測，對其中3個證據(jù)最完備的事件做了深入分析。分析發(fā)現(xiàn)大約以2MeV能量為界，低于2MeV的能量粒子展現(xiàn)出傳統(tǒng)的速度色散結(jié)構(gòu)，但高于2MeV的能量粒子展現(xiàn)清晰的逆向速度色散特征(圖1a)。研究團(tuán)隊(duì)利用速度色散分析法(VDA)求得正常色散粒子共同釋放的時刻與傳播路徑(圖1b)，并在充分考慮粒子的加速機(jī)制和加速過程等因素后(圖1c)，迭代出依賴能量的粒子釋放時間，獲得高能粒子的逆向色散結(jié)構(gòu)。
 

　　圖1.Solar Orbiter于2023年11月9日觀測到的一次清晰的逆向速度色散事件。(a)高能粒子能量時間分布圖。正常色散粒子的到達(dá)時間以藍(lán)圈標(biāo)示，逆向色散粒子的到達(dá)時間以橘色三角標(biāo)示；兩者的過渡能量約在2MeV附近(綠色標(biāo)記區(qū)間)。(b)高能粒子到達(dá)時間分析圖。藍(lán)點(diǎn)為正常色散粒子的釋放時刻；橘點(diǎn)為推導(dǎo)的逆向色散粒子的釋放時刻；黑色虛線為利用擴(kuò)散激波加速機(jī)制擬合得到的理論釋放曲線。(c)高能粒子能譜圖。表示可能存在不同加速階段/機(jī)制分工，正常色散部分對應(yīng)耀斑加速或者早期的激波加速，逆向色散部分對應(yīng)后期的擴(kuò)散激波加速。
 

　　理論：加速機(jī)制與時間尺度
 

　　團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，逆向色散可由擴(kuò)散激波加速機(jī)制來解釋：粒子在激波上下游反復(fù)散射并多次跨越激波面，能量逐級提升，因此到達(dá)更高能量需要更長的加速時長，表現(xiàn)為能量越高、釋放越晚。因此，高能逆向色散粒子可視為較低能端正常色散粒子(即“種子”粒子)進(jìn)一步加速的產(chǎn)物。
 

　　團(tuán)隊(duì)基于擴(kuò)散激波加速的理論推導(dǎo)，從加速粒子的能譜指數(shù)(圖1c示例了2023-11-09事件)反演得到了激波的壓縮比，并推得激波上下游速度等無法直接觀測的物理參數(shù)。團(tuán)隊(duì)繼續(xù)利用激波參數(shù)計算了擴(kuò)散激波加速的時間尺度，定量推導(dǎo)出粒子能量如何隨加速時長而增加(圖2a/b)，且與觀測推斷的釋放時間趨勢一致。進(jìn)一步結(jié)合觀測結(jié)果和加速理論，團(tuán)隊(duì)反推出激波加速中粒子的平均自由程(圖2c)。深入研究的三個示例事件均得到了相同量級的平均自由程，進(jìn)一步支撐了擴(kuò)散激波加速可能是主導(dǎo)逆向色散現(xiàn)象的解釋。
 

　　圖2.粒子能量隨加速時長的變化關(guān)系。(a)基于理論推導(dǎo)的質(zhì)子達(dá)到既定最終能量所需的跨越激波次數(shù)(三條線分別對應(yīng)三起事件不同的激波參數(shù))。(b)加速時間矩陣。橫向?yàn)槌跏寄芰俊⒖v向?yàn)樽罱K能量，色階代表把粒子從初始狀態(tài)加速到目標(biāo)能量所需的時間(這里的激波參數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)取自2023-11-09事件的結(jié)果)。(c)從觀測推導(dǎo)的加速時間與理論擬合的對照(三個子圖分別對應(yīng)三例事件)。帶誤差棒的點(diǎn)為基于逆向色散觀測推導(dǎo)的結(jié)果，虛線為理論公式對觀測結(jié)果的最佳擬合，λ0為擬合得到的加速粒子的平均自由程。
 

　　亮點(diǎn)
 

　　該研究系統(tǒng)深入地分析了Solar Orbiter觀測的1AU以內(nèi)的10個高能粒子逆向色散事件，創(chuàng)建了逆向速度色散分析方法，定量給出了隨粒子能量變化的釋放時刻與加速時長；并進(jìn)一步運(yùn)用擴(kuò)散激波加速機(jī)制，創(chuàng)新性地反演出激波的壓縮比、上下游速度，首次從觀測事件中反演出了擴(kuò)散激波加速的時間尺度和加速時的粒子平均自由程等關(guān)鍵物理參數(shù)；建立了從可直接觀測到的逆向速度色散結(jié)構(gòu)，診斷不可直接觀測的激波加速區(qū)物理?xiàng)l件的新方法。
 

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭靜楠教授、Daniel Pacheco博士、汪毓明教授為共同通訊作者，博士研究生李昀聰為第一作者，合作者還包括奧地利格拉茨大學(xué)的Manuela Temmer教授、德國基爾大學(xué)的丁浙一博士和Robert F. Wimmer-Schweingruber教授。汪毓明提出了擴(kuò)散激波加速的理論解釋，郭靜楠、Daniel和李昀聰處理和分析了數(shù)據(jù)并發(fā)展了反演算法，所有合作者進(jìn)行了深入的討論。
 

　　該研究受到國家自然科學(xué)基金(42188101,42130204，42474221)資助。Solar Orbiter探測器是歐洲航天局(ESA)與美國國家航空航天局(NASA)之間的一項(xiàng)國際合作任務(wù)，由ESA負(fù)責(zé)運(yùn)營。Solar Obiter上的EPT和EPD科學(xué)載荷分別由德國航天局(DLR)和西班牙文化、藝術(shù)與體育部(MINCIN)的項(xiàng)目支持。