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紫金山天文臺在太陽射電爆發輻射機制的研究方向取得重要進展

  太陽射電爆發現象是太陽高能電子活動最直接的物理表現,也是診斷太陽活動區物理狀態和高能電子加速與傳播過程最重要的觀測手段。確定和建立正確的爆發輻射機制,是進行準確診斷的物理前提和理論基礎。自上世紀50年代末以來,在太陽射電爆發輻射機制的研究中,“等離子體輻射”和“電子回旋脈澤輻射”這兩種機制的長期爭議一直是困擾太陽射電爆發輻射和診斷研究的主要難題。

  最近,中國科學院紫金山天文臺“太陽和太陽系等離子體”研究團組在攻克這一難題的研究上取得了重要進展。該研究團組利用全動力論PIC數值模擬代碼技術(ACRONYM),深入研究了具有低能截止冪律能譜的高能電子束在不同背景磁化等離子體參數條件下,對輻射電磁波的激發效率和相應的非線性飽和水平。研究結果顯示,具有低能截止冪律能譜的高能電子束可同時有效地激發朗繆爾波和電子回旋脈澤不穩定性,該兩種不穩定性分別是產生等離子體輻射和電子回旋脈澤輻射的基礎。但是,在電子回旋脈澤輻射機制起主導作用的強磁化等離子體中,輻射電磁波的飽和水平遠遠高于等離子體輻射機制起主導作用的弱磁化等離子體中的飽和水平(見圖1)。這一結果意味著,基于等離子體線性不穩定性直接放大的電子回旋脈澤輻射機制確實是能夠導致太陽射電爆發現象的有效相干輻射機制,而基于朗繆爾波非線性耦合轉化的等離子體輻射機制則難以產生有效的射電爆發輻射。初步分析其中原因,可能是因為朗繆爾波向輻射電磁波的非線性耦合轉換效率太低,以致其主要能量大都耗散在等離子體加熱過程中。該項研究結果將促進我們進一步澄清太陽射電爆發輻射機制研究中的長期爭議。

  該研究得到了國家自然科學基金的支持,相關成果已于近期發表在國際天文學領域的權威期刊《天體物理雜志(The Astrophysical Journal)》。

  論文鏈接:https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac5aae。


圖1:低能截止冪律能譜的高能電子束流在不同磁化等離子體(不同的列)中對橫向電磁波激發的波矢-頻率能譜圖。不同的行展示不同時段里橫向電磁波激發情況。在每個面板中,ω>0(ω<0)區域表示了右旋(左旋)電磁波的能量光譜。在ω>0的右旋區域,從下到上,疊加繪制了在磁化冷等離子體極限下的哨聲波(灰色點線)、Z模波(灰色虛線)和X模波(灰色虛線-點-點線)的色散關系曲線。而O模的色散關系曲線(灰色虛-點線)被疊加繪制在ω<0的左旋區域。注:所有面板使用相同的colorbar。

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