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地质地球所及合作者研究揭示行星际周期性激波形成的关键过程

  

    等离子体激波是天体物理中重要的物理现象,广泛存在于星际、行星际、行星及彗星环境中,它常被用来解释高能宇宙射线和太阳耀斑的高能粒子加速问题。然而,等离子体激波是如何在浩瀚的宇宙中形成的,仍然是天体物理学中最大的谜团之一。目前普遍接受的理论是,等离子体激波是由低频、小振幅、正弦等离子体波动经过波形变陡过程而演化来的。 

  中科院地质与地球物理所的副研究员与合作者,通过对MAVEN火星探测器的数据分析,发现了由快磁声波(一种磁流体力学波)发展为周期性等离子体激波的关键过程:当正弦型快磁声波被高速太阳风带到靠近火星时,更多的相反方向的离子将能量传输给波动,导致波幅增长和波形变陡;持续地注入能量,最终导致形成周期性激波(图1-图2)。 

  1 波动演化成周期性激波的完整序列。(a, b 磁场三分量和总场;(c)离子数密度;(d, e)磁场功率谱;(f)仪器坐标系下离子方位角分布;(g)离子能通量 

  2 激波形成过程中三个典型瞬间  

  对快磁声波特征的分析结果显示这种波动是由火星逃逸层中的新生离子与太阳风相互作用激发的。相对于地球,火星没有内禀磁场并且引力比较小,其逃逸层的中性粒子通过电离形成新生离子。在行星际磁场倾角比较小的情况下,新生离子与太阳风相互作用激发快磁声波,最终演化成激波(图3)。行星际空间与火星类似存在大量的新生离子,它们在一些天体激波形成过程中将起到重要作用。 

  3 火星空间环境中周期性激波由波动演化的示意图  

  研究成果发表于国际权威学术期刊APJL。(Shan L, Du A, Tsurutani B T, et al. In Situ Observations of the Formation of Periodic Collisionless Plasma Shocks from Fast Mode Waves[J]. The Astrophysical Journal Letters, 2020, 888(2): L17.)(
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