單立燦等-APJL：行星際週期性激波形成的關鍵過程
等離子體激波是天體物理中重要的物理現象，廣泛存在於星際、行星際、行星及彗星環境中，它常被用來解釋高能宇宙射線和太陽耀斑的高能粒子加速問題。然而，等離子體激波是如何在浩瀚的宇宙中形成的，仍然是天體物理學中最大的謎團之一。目前普遍接受的理論是，等離子體激波是由低頻、小振幅、正弦等離子體波動經過波形變陡過程而演化來的。
中科院地質與地球物理所地球與行星物理院重點實驗室的單立燦副研究員與合作者，通過對MAVEN火星探測器的數據分析，發現了由快磁聲波（一種磁流體力學波）發展為週期性等離子體激波的關鍵過程：當正弦型快磁聲波被高速太陽風帶到靠近火星時，更多的相反方向的離子將能量傳輸給波動，導致波幅增長和波形變陡；持續地注入能量，最終導致形成周期性激波（圖1-圖2）。
圖1 波動演化成周期性激波的完整序列（a, b）磁場三分量和總場；（c）離子數密度；（d, e）磁場功率譜；（f）儀器座標系下離子方位角分佈；（g）離子能通量
圖2 激波形成過程中三個典型瞬間
對快磁聲波特徵的分析結果顯示，這種波動是由火星逃逸層中的新生離子與太陽風相互作用激發的。相對於地球，火星沒有內稟磁場並且引力比較小，其逃逸層的中性粒子通過電離形成新生離子。在行星際磁場傾角比較小的情況下，新生離子與太陽風相互作用激發快磁聲波，最終演化成激波（圖3）。行星際空間與火星類似存在大量的新生離子，它們在一些天體激波形成過程中將起到重要作用。
圖3 火星空間環境中週期性激波由波動演化的示意圖
研究成果發表於國際權威學術期刊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.）（原文鏈接見文末）
校對：陶 琴
