空间中心科研人员揭示不同源区年轻太阳风的加速特征

太阳风加速问题一直是太阳物理领域的研究热点之一。自从尤金·帕克于1958年提出太阳风理论以来，建立用于解释太阳风加速机制的模型通常需要1AU处的太阳风观测结果作为约束条件。 帕克太阳探测器（Parker Solar Probe, 简称“PSP”）是历史上第一个进入太阳大气观测的航天器，为研究年轻太阳风的起源和加速提供了宝贵的机会。

中国科学院国家空间科学中心（以下简称“空间中心”）太阳活动与空间天气重点实验室刘颍、王瑞课题组从PSP前17轨的观测中，鉴定出所有稳定的冕洞太阳风，冕流太阳风，以及低马赫数边界层（LMBL）太阳风。其中，LMBL是刘颍研究员等人（2023）提出的一种起源于冕洞边界的特殊太阳风，具有低速度，低密度，低阿尔芬马赫数的特点。我们将这三种类型太阳风的各个参数的径向演化趋势与双流体等温-多方流体动力学模型进行了对比研究。

图1展示了建模结果和观测结果的对比。结果呈现了太阳风加速过程中，速度，密度，温度等参数的变化趋势。质子温度和电子温度在来源于冕洞，冕流，LMBL的三种类型太阳风中的下降速率均低于绝热膨胀的下降速率，表明近太阳环境存在普遍加热。通过建模结果和观测数据的对比，研究团队发现上述模型可以复现大部分太阳风演化趋势。而对于40个太阳半径之外的冕洞太阳风，模型预测的速度略低于实际测量，这可能表明存在除热压之外的加速机制，例如阿尔芬波压力的加速。

图1：太阳风参数的径向演化以及和模型的对比。

表 1 总结了图 1中双流体等温-多方流体动力学模型的相关参数。对于质子的多方指数来说，冕洞太阳风最小，为1.18。而冕流太阳风最大，为1.35。LMBL介于两者之间，为1.30。冕洞太阳风质子较低的多方指数表明其接近等温（多方指数为1）状态，其获得了更多的加热和加速。不同源区太阳风的初始质子温度之间存在较大差异，其中冕洞太阳风对应最高的初始质子温度（约2.0 Mk），而冕流太阳风的初始质子温度只能达到0.5 Mk附近。与质子情况形成对比的是，三种类型的太阳风电子多方指数和初始温度都非常相似，分别约为1.36和略高于1 Mk。因此三种源区类型的太阳风的电子温度的演化趋势没有显著区别。声速临界点位置为3.6-7.3太阳半径。阿尔芬临界点对于冕洞和冕流太阳风约为12个太阳半径，对于LMBL则超过20个太阳半径。上述结果符合PSP就地观测。

表1：等温-多方模型的相关参数。

研究团队进一步探究质子和电子热压力在太阳风加速中的作用。图2展示了消除径向效应后太阳风速度相对于质子和电子温度的关系。一个特别的结果是，当径向效应被消除后，质子温度与太阳风速度呈二次正相关，这表明热能与动能之间存在线性关系，更高的温度会致使更多的加速。相对而言，电子温度在不同速度和类型的太阳风中均保持恒定值。这可能表明电子热压力对不同源区类型的太阳风加速具有相似的贡献，太阳风速度的差异主要由质子热压力决定。总体而言，冕洞太阳风的质子温度和速度最高，冕流太阳风最低。而LMBL风的质子温度和速度变化幅度较大，可能达到极低值，这可能导致LMBL风的声速临界点显著向外延伸。

图2：消除径向效应后速度质子和电子温度的关系。

论文发表于The Astrophysical Journal Letters，第一作者为空间中心研究生焦怡明。该研究通过评估太阳风中可能的流体动力学机制，揭示质子与电子热压力在太阳风加速中的贡献，对于理解年轻太阳风的加速具有重要意义。

Citation: Yiming Jiao, Ying D. Liu*, Wenshuai Cheng, Hao Ran and Rui Wang, On the Acceleration of the Young Solar Wind from Different Source Regions, 2024, The Astrophysical Journal Letters, 975, L41.

(https://doi.org/10.3847/2041-8213/ad85ea)

（供稿：天气室）