中國天文學家在太陽射電爆發輻射機制的研究方向取得重要進展

太陽射電爆發現像是太陽高能電子活動最直接的物理表現，也是診斷太陽活動區物理狀態和高能電子加速與傳播過程最重要的觀測手段。確定和建立正確的爆發輻射機制，是進行準確診斷的物理前提和理論基礎。 自上世紀50年代末以來，在太陽射電爆發輻射機制的研究中，等離子體輻射和電子迴旋激微波（Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation，縮寫 MASER）輻射這兩種機制的長期爭議一直是困擾太陽射電爆發輻射和診斷研究的主要難題。

中國科學院紫金山天文台太陽和太陽系等離子體研究團組在這個難題的研究上取得重要進展。該研究團組利用全動力論PIC（Particle-In-Cell）數值模擬代碼技術，稱為 ACRONYM（Another Code for pushing Relativistic Objects, Now with Yee lattice and Macro particles），深入研究具有低能截止冪律（Power-law）能譜的高能電子束在不同背景磁化等離子體參數條件下，對輻射電磁波的激發效率和相應的非線性飽和水平。

研究結果顯示，具有低能截止冪律能譜的高能電子束可同時有效地激發朗繆爾波和電子迴旋激微波不穩定性，該兩種不穩定性分別是產生等離子體輻射和電子迴旋脈澤輻射的基礎。但是，在電子迴旋激微波輻射機制起主導作用的強磁化等離子體中，輻射電磁波的飽和水平遠遠高於等離子體輻射機制起主導作用的弱磁化等離子體中的飽和水平（上圖）。這個結果意味著，基於等離子體線性不穩定性直接放大的電子迴旋激微波輻射機制確實是能夠導致太陽射電爆發現象的有效相干輻射機制，而基於朗繆爾（Langmuir）波非線性耦合轉化的等離子體輻射機制則難以產生有效的射電爆發輻射。

初步分析其中原因，可能是因為朗繆爾波向輻射電磁波的非線性耦合轉換效率太低，以致其主要能量大都耗散在等離子體加熱過程中。 該項研究結果將促進我們進一步澄清太陽射電爆發輻射機制研究中的長期爭議。

【圖、文：節錄自中國科學院紫金山天文台網頁；新聞資訊由林景明提供】研究全文刊登在2022年3月31日出版的《天體物理學報》；標題是：Plasma Emission versus Electron Cyclotron Maser Emission due to Power-law Energetic Electrons in Differently Magnetized Coronal Plasmas