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粒子：中科院云南天文台在湍动磁重联电流片中带电粒子的加速研究方面获进展

时间：2022-11-29 11:45:37 | 来源：

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近日，天文学国际期刊《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）发表了云南天文台“太阳活动和CME理论研究团组”的最新研究成果，该研究由李燕及组内其他合作者共同完成。他们详细研究了带电粒子在湍动磁重联电流片中的加速过程，给出了粒子加速的一些新结果。

太阳耀斑是太阳大气中最剧烈的能量释放过程（典型爆发的能量可达1025焦耳），它在极短的时间内快速的将磁能转化为等离子体的热能、动能及加速带电粒子。观测研究表明，高能非热粒子占据了释放能量的10%-50%。磁重联电流片所产生的感应电场是加速高能粒子的一种有效机制，但长电流片通常是不稳定和高湍动的，会产生各种等离子体不稳定性，最主要表现是磁岛的形成和合并。研究带电粒子在这样复杂的电磁场结构中的运动，对理解粒子加速的细节过程是非常必要的。

本研究通过对磁流体力学方程的数值计算，获得了自洽的电磁场结构。然后，通过试验粒子方法，研究粒子在湍动电流片中的加速。结果表明，电子和质子的能谱均呈现单一的幂律谱。幂律谱的高能成分由被捕获在闭合磁场中的粒子组成，而逃逸的和部分被捕获的粒子贡献了能谱中较低的能量成分。谱指数随着磁重联的演化呈现软-硬-软的变化(图1)。由于磁岛的运动，使得在磁岛的两端存在相反的电场。这导致此区域曲率漂移对粒子加速和能量增加影响很小，而梯度漂移加速在粒子的加速起着非常重要的作用(图2)。另外，由于磁岛的存在，在考虑引导场的情况下并不能像X-点位型那样很明显的看到质子和电子的分离，只有很高能部分的粒子才能观察到这种现象(图3)。

该研究获得了国家自然科学基金项目、中国科学院战略先导科技专项和云南省林隽科学家工作室的支持。科学计算完成于云南天文台计算太阳物理实验室。