中国科大在太阳高能粒子加速和传播方面取得重要进展
近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院郭静楠教授和汪毓明教授领衔的国际研究团队，在太阳高能粒子加速和传播方面取得重要进展，相关成果以“The delayed arrival of faster solar energetic particles as a probe into the shock acceleration process”为题，发表在《国家科学评论》(National Science Review)上。
传统观点认为，太阳爆发期间释放的高能量粒子比能量较低的粒子更早到达观测者，在动态能谱中形成常见的粒子速度色散（VD）结构，即高速早到、低速晚到。该研究报道了10个逆向速度色散（IVD，即高速晚到）的太阳高能质子事件，认为激波扩散加速过程将质子束缚并加速到几十MeV是造成这一现象的主要原因，挑战了传统的图像，也为直接探查粒子实际加速过程打开了新的诊断窗口。
观测：十个IVD案例与分析方法
太阳爆发会把高能粒子抛向日地空间，是航天器与载人任务的重要辐射风险源。传统认识认为粒子几乎同时释放并且沿着近似相同的行星际路径到达探测器，导致能量越高的粒子越早到达地球，在粒子探测器的动态能谱图上表现为速度色散（VD）。近期，欧洲航天局Solar Orbiter搭载的高能粒子探测器在离太阳1AU以内的距离处，发现了多起逆向速度色散事件（IVD）：更高能的质子反而更晚到达。
研究团队系统梳理了Solar Orbiter2022—2024年的观测，对其中3个证据最完备的事件做了深入分析。分析发现大约以2MeV能量为界，低于2MeV的能量粒子展现出传统的速度色散结构，但高于2MeV的能量粒子展现清晰的逆向速度色散特征（图1a）。研究团队利用速度色散分析法（VDA）求得正常色散粒子共同释放的时刻与传播路径（图1b），并在充分考虑粒子的加速机制和加速过程等因素后（图1c），迭代出依赖能量的粒子释放时间，获得高能粒子的逆向色散结构。
图1.Solar Orbiter于2023年11月9日观测到的一次清晰的逆向速度色散事件。（a）高能粒子能量时间分布图。正常色散粒子的到达时间以蓝圈标示，逆向色散粒子的到达时间以橘色三角标示；两者的过渡能量约在2MeV附近（绿色标记区间）。（b）高能粒子到达时间分析图。蓝点为正常色散粒子的释放时刻；橘点为推导的逆向色散粒子的释放时刻；黑色虚线为利用扩散激波加速机制拟合得到的理论释放曲线。（c）高能粒子能谱图。表示可能存在不同加速阶段/机制分工，正常色散部分对应耀斑加速或者早期的激波加速，逆向色散部分对应后期的扩散激波加速。
理论：加速机制与时间尺度
团队认为，逆向色散可由扩散激波加速机制来解释：粒子在激波上下游反复散射并多次跨越激波面，能量逐级提升，因此到达更高能量需要更长的加速时长，表现为能量越高、释放越晚。因此，高能逆向色散粒子可视为较低能端正常色散粒子（即“种子”粒子）进一步加速的产物。
团队基于扩散激波加速的理论推导，从加速粒子的能谱指数（图1c示例了2023-11-09事件）反演得到了激波的压缩比，并推得激波上下游速度等无法直接观测的物理参数。团队继续利用激波参数计算了扩散激波加速的时间尺度，定量推导出粒子能量如何随加速时长而增加（图2a/b），且与观测推断的释放时间趋势一致。进一步结合观测结果和加速理论，团队反推出激波加速中粒子的平均自由程（图2c）。深入研究的三个示例事件均得到了相同量级的平均自由程，进一步支撑了扩散激波加速可能是主导逆向色散现象的解释。
图2.粒子能量随加速时长的变化关系。（a）基于理论推导的质子达到既定最终能量所需的跨越激波次数（三条线分别对应三起事件不同的激波参数）。（b）加速时间矩阵。横向为初始能量、纵向为最终能量，色阶代表把粒子从初始状态加速到目标能量所需的时间（这里的激波参数和扩散系数取自2023-11-09事件的结果）。（c）从观测推导的加速时间与理论拟合的对照（三个子图分别对应三例事件）。带误差棒的点为基于逆向色散观测推导的结果，虚线为理论公式对观测结果的最佳拟合，λ0为拟合得到的加速粒子的平均自由程。
亮点
该研究系统深入地分析了Solar Orbiter观测的1AU以内的10个高能粒子逆向色散事件，创建了逆向速度色散分析方法，定量给出了随粒子能量变化的释放时刻与加速时长；并进一步运用扩散激波加速机制，创新性地反演出激波的压缩比、上下游速度，首次从观测事件中反演出了扩散激波加速的时间尺度和加速时的粒子平均自由程等关键物理参数；建立了从可直接观测到的逆向速度色散结构，诊断不可直接观测的激波加速区物理条件的新方法。
中国科学技术大学郭静楠教授、Daniel Pacheco博士、汪毓明教授为共同通讯作者，博士研究生李昀聪为第一作者，合作者还包括奥地利格拉茨大学的Manuela Temmer教授、德国基尔大学的丁浙一博士和Robert F. Wimmer-Schweingruber教授。汪毓明提出了扩散激波加速的理论解释，郭静楠、Daniel和李昀聪处理和分析了数据并发展了反演算法，所有合作者进行了深入的讨论。
该研究受到国家自然科学基金（42188101,42130204，42474221）资助。Solar Orbiter探测器是欧洲航天局（ESA）与美国国家航空航天局（NASA）之间的一项国际合作任务，由ESA负责运营。Solar Obiter上的EPT和EPD科学载荷分别由德国航天局（DLR）和西班牙文化、艺术与体育部（MINCIN）的项目支持。
论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf348
（地球和空间科学学院、科研部）
本文链接：http://knowith.com/news-1-12690.html中国科大在太阳高能粒子加速和传播方面取得重要进展
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