空间中心科研人员给出激波再形成证据

　　激波是宇宙中一种常见而又基本的物理现象。在太阳系中，太阳风暴驱动的激波（CME-driven shock）可以产生持久的太阳高能粒子事件和射电暴，行星的舷/弓激波（Bow shock）可以改变太阳风粒子和磁场状态，日球层终止激波（Termination shock）能够加速新生离子产生异常宇宙射线。在天体物理中，超新星遗迹驱动的激波（Supernova remnant shock）能够产生银河宇宙射线（GCR）。近期，中国科学院国家空间科学中心空间天气学重点实验室刘颍研究员团队通过分析多卫星高分辨率数据，给出了激波所固有的基本特性---激波再形成（shock self-reformation）---的明确证据。

　　在上世纪80年代，基于早期的超算集群模拟，国际上一些科学家（例如美国Los Alamos国家实验室的Kevin B. Quest、法国科学院的Bertrand Lembege等）提出了在无碰撞等离子体中，较高马赫数激波（Supercritical shock）反射一部分上游入流离子，这些回旋反射的离子能促使形成新的激波面，当新的激波面生长成熟后，它能够取代老的激波面并反射上游离子。这个过程周而复始，称为激波再形成（shock self-reformation），是激波的一个基本物理特性。研究激波面再形成这个基本物理问题，对揭示无碰撞激波微观结构本身、了解能量耗散过程、以及理解高能粒子的加速机制具有重要的意义。

　　目前，对激波再形成的观测大多是基于磁场变化，缺乏粒子证据，以前粒子探测数据时间分辨率很低，这使得科学界对激波再形成特性了解甚少。激波再形成的确凿观测证据之所以一直是个难题，主要原因是观测需要同时满足以下几个条件：（1）必须是多点卫星观测；（2）适当的卫星间距和相对位置，至少有两颗卫星沿着激波法向分开一定距离，先后观测到的激波能鉴别出演化过程又落在同一个再形成周期里边为最佳；同时，沿着激波面方向也需要至少两颗卫星以排除激波涟漪的影响；（3）穿越过程中对带电粒子速度分布函数的高分辨率、高质量、连续的观测。最近国际上发射了磁层多尺度星簇计划（Magnetospheric Multiscale Mission，简称MMS），4颗卫星位形及间距合适，并能以150毫秒和30毫秒的分辨率测量离子和电子的三维速度分布函数，为研究激波再形成过程提供了难得的机会。

　　研究团队杨忠炜副研究员基于MMS卫星的激波观测数据，利用磁场和等离子体探测器（Fast Plasma Investigation，简称FPI）的就地测量，首次观测到地球舷激波的完整再形成证据，并从粒子动理学特性揭示了再形成机制。研究团队发现2016年1月11日，MMS穿越激波时，在激波法向的卫星间距分别在10~30 千米（图一），MMS1和MMS2先后穿越的激波面的时间正好落在同一个再形成周期（约2.7秒）内。如图二(e)所示，MMS1首先观测到老的激波面正在强烈的反射太阳风离子，此时激波面处在再形成中陡峭而强烈（峰值接近60 nT）的时刻。紧随其后，MMS2观测到了新老激波面此消彼长的过程，此时老的激波面减弱到了40 nT左右，激波脚（foot）正在成长为新的激波面。根据理论，此时的新激波面还不足以反射太阳风离子，它们能够直接穿过新激波面直到遇见尚未消亡的老激波面才开始反射，这一点在图二(a)-(d)中得到了证实。此外，MMS2还观测到被老激波面反射的离子还在源源不断地往上游方向回旋，因此在新的激波面处能同时观测到入射的太阳风冷流和反射离子两种成分，而且两者在速度空间没有衔接，说明反射离子源自别处（连续的速度分布函数证明了他们源自老激波面处，参见图3和图4动画）。上述观测结果与数值模拟的预言吻合的很好。

　　这是首次完整的在离子回旋时间尺度上给出了激波再形成过程中的电磁场演化和粒子动理学特性的直接观测证据。研究揭示，再形成这个非稳态特性能够让激波面厚度、强度、电磁场位形发生剧烈的变化，并且存在着丰富的粒子动理学过程。以往大量的理论研究表明，激波对粒子的加速机制（例如激波冲浪加速机制等）十分依赖激波面的厚度和电磁场精细结构，而激波中的能量耗散与熵增过程取决于粒子速度分布函数的演化。因此，激波再形成被认为是无碰撞激波中决定能量耗散和粒子加速的最关键的基本物理过程之一。

　　该研究成果发表在 The Astrophysical Journal Letters上。审稿人评价：“首次给出了如此高分辨率的激波再形成过程，与理论预言符合的很好”（the observations presented here are the first with such high time resolution, and the observations presented agree remarkably well with some simulations of the reformation process），“很有说服力”（pretty convincing），“论文令人钦佩的简洁”（admirable in its brevity），“希望看到这一工作激发观测和模拟更进一步的比较”（stimulate some closer comparison between the data and simulations）。

　　文章链接：

　　Zhongwei Yang, Ying D. Liu, Andreas Johlander, George K. Parks, Benoit Lavraud, Ensang Lee, Wolfgang Baumjohann, Rui Wang and James L. Burch, MMS direct observations of kinetic-scale shock self-reformation, 2020, ApJL, 901, L6.

　　(https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abb3ff).

　　图一：MMS星簇在穿越地球舷激波时的卫星间距和相对位置。

　　图二：MMS2（a-d）和MMS1（e）观测到激波再形成中不同时刻的动理学特性。新老激波面交替时，入射太阳风离子(标记为“I”)与反射离子（标记为“R”）形成了相空间涡旋(d中用虚线椭圆标出)。“RP”指离子反射点。

　　图三：MMS2观测到的激波再形成中不同位置的离子速度分布函数特性。

　　图四：MMS2从激波上游到下游连续观测到的离子速度分布函数三维可视化（150毫秒分辨率），包括激波再形成中的关键结构—相空间涡旋。