摘要 基于四颗磁层多尺度航天器穿越地球弓形激波期间的高时间分辨率数据,评估了无碰撞等离子体激波前沿等离子体熵的演变和等离子体能量重新分布的过程。将离子分布函数分离为激波附近具有不同特征行为的群体:上游核心群体、反射离子、回旋离子、激波附近捕获的离子和下游核心群体。分别确定了这些群体的离子和电子矩值(密度、体积速度和温度)。结果表明,随着静电势的增加,太阳风核心群体体积速度主要在斜坡处减慢,而不是像假设的那样在足部区域减慢。反射离子群体决定了足部区域的性质,因此足部区域的质子温度峰值是不同离子群体相对运动的结果,而不是任何离子群体热速度的实际增加。评估的离子熵表明,激波的整个过程中出现了显著的增加:离子熵的增强发生在激波前沿的脚部和斜坡处,反射离子与上游太阳风离子一起出现,各向异性不断增加,产生了离子尺度静电波的爆发。激波的电子熵没有显示出显著的变化:电子加热几乎是绝热的。统一天文学词库概念:太阳风 ( 1534 ) ;行星弓形激波 ( 1246 )
天体物理无碰撞激波是宇宙中最强大的粒子加速器之一。超新星遗迹激波是由超音速等离子体流与星际介质剧烈相互作用产生的,据观测,它可以放大磁场 1 并将电子和质子加速到高度相对论速度 2 – 4 。在完善的扩散激波加速模型 5 中,相对论粒子通过反复的激波穿越而加速。然而,这需要一个单独的机制来预加速粒子以实现激波穿越。这被称为“注入问题”,它与电子尤其相关,并且仍然是激波加速中最重要的难题之一 6 。在大多数天体物理激波中,激波结构的细节无法直接解决,因此很难确定注入机制。这里我们报告了激光驱动等离子体流实验和相关模拟的结果,这些实验和模拟探测了在与年轻超新星遗迹相关的条件下湍流无碰撞激波的形成。我们表明,电子可以通过激波向相对论非热能转变过程中产生的小尺度湍流在一阶费米过程中得到有效加速,从而有助于克服注入问题。我们的观测为激波时的电子注入提供了新的见解,并为在实验室内控制研究宇宙加速器的物理原理开辟了道路。大多数天体物理激波都是无碰撞的,这意味着它们是由等离子体不稳定性形成的,等离子体不稳定性通过磁场放大、等离子体加热和粒子加速来耗散流能 6、7。因此,粒子注入与激波形成机制和激波产生的湍流磁场的性质密切相关。这些过程通常受激波马赫数(激波速度与环境阿尔文或声速之比)控制,但其控制方式尚不十分清楚。长期以来,航天器对地球弓形激波的现场测量已经形成了我们对中等阿尔文马赫数(MA ≈ 3 − 10)下无碰撞激波的理解(参考文献 8)。然而,由于这些奇异遥远激波的局部条件约束不充分,我们对超新星遗迹(SNR)激波相关的甚高马赫数范围(MA ≫ 10)的了解要有限得多,而且大部分都是通过数值模拟获得的 9 – 12。在过去十年中,人们在利用千焦耳级激光器产生超音速超阿尔文等离子体方面做出了巨大努力
激波是自然界最强大的粒子加速器之一,与相对论电子加速和宇宙射线有关。上游激波观测包括波的产生、波粒相互作用和磁压缩结构,而在激波和下游,可以观察到粒子加速、磁重联和等离子体喷流。在这里,我们使用磁层多尺度 (MMS) 展示了在地球弓形激波处产生的高速下游流动(喷流)的现场证据,这是激波重新形成的直接结果。由于上游等离子体波演化和弓形激波持续重新形成周期的综合作用,在下游观察到了喷流。这一产生过程也适用于通常存在无碰撞激波的行星和天体物理等离子体。
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