湍动磁重联电流片中带电粒子的加速研究获进展

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。

图1.质子(左)和电子(右)能谱的演化

图2.左:质子在xy平面的运动轨迹。右:粒子平行(红)和垂直(蓝)磁场方向动能及总动能(黑)的变化。