湍動磁重聯電流片中帶電粒子的加速研究獲進展

近日，天文學國際期刊《天體物理學雜志》（The Astrophysical Journal）發表了云南天文臺“太陽活動和CME理論研究團組”的最新研究成果，該研究由李燕及組內其他合作者共同完成。他們詳細研究了帶電粒子在湍動磁重聯電流片中的加速過程，給出了粒子加速的一些新結果。

太陽耀斑是太陽大氣中最劇烈的能量釋放過程（典型爆發的能量可達1025焦耳），它在極短的時間內快速的將磁能轉化為等離子體的熱能、動能及加速帶電粒子。觀測研究表明，高能非熱粒子占據了釋放能量的10%-50%。磁重聯電流片所產生的感應電場是加速高能粒子的一種有效機制，但長電流片通常是不穩定和高湍動的，會產生各種等離子體不穩定性，最主要表現是磁島的形成和合并。研究帶電粒子在這樣復雜的電磁場結構中的運動，對理解粒子加速的細節過程是非常必要的。

本研究通過對磁流體力學方程的數值計算，獲得了自洽的電磁場結構。然后，通過試驗粒子方法，研究粒子在湍動電流片中的加速。結果表明，電子和質子的能譜均呈現單一的冪律譜。冪律譜的高能成分由被捕獲在閉合磁場中的粒子組成，而逃逸的和部分被捕獲的粒子貢獻了能譜中較低的能量成分。譜指數隨著磁重聯的演化呈現軟-硬-軟的變化(圖1)。由于磁島的運動，使得在磁島的兩端存在相反的電場。這導致此區域曲率漂移對粒子加速和能量增加影響很小，而梯度漂移加速在粒子的加速起著非常重要的作用(圖2)。另外，由于磁島的存在，在考慮引導場的情況下并不能像X-點位型那樣很明顯的看到質子和電子的分離，只有很高能部分的粒子才能觀察到這種現象(圖3)。

該研究獲得了國家自然科學基金項目、中國科學院戰略先導科技專項和云南省林雋科學家工作室的支持。科學計算完成于云南天文臺計算太陽物理實驗室。

圖1.質子(左)和電子(右)能譜的演化

圖2.左:質子在xy平面的運動軌跡。右:粒子平行(紅)和垂直(藍)磁場方向動能及總動能(黑)的變化。