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电子回旋共振不稳定性驱动的等离子体相干辐射机制研究

已有 823 次阅读 2020-7-12 07:49 |系统分类:科研笔记

       宇宙空间中存在着各类丰富多彩的射电爆发现象。太阳、木星、地球、土星,乃至遥远的类太阳恒星、脉冲星等都是强大的射电源。这些射电源的辐射强度常远超相应的热力学温度和高能电子平均能量对应的有效温度,只能用相干辐射来解释。目前已提出三类与天体和空间射电源有关的相干辐射机制,包括等离子体辐射、电子回旋脉泽辐射以及脉冲星射电辐射机制。其中,对于脉冲星射电辐射机制目前仍知之甚少,此处不再过多讨论。

等离子体辐射(PE)和电子回旋脉泽辐射(ECME)机制均被用来解释不同类型的太阳和行星射电辐射。传统等离子体辐射机制是一种多步过程,始于高能电子束流驱动的尾瘤不稳定性,该不稳定性激发起增强的静电Langmuir波,再通过非线性波波作用转为可逃离源区的等离子体基频和谐频辐射;而电子回旋脉泽辐射相应模式则是通过诸如损失锥类速度分布高能电子驱动的电子回旋共振不稳定性直接激发的。现有研究大都认为传统PE机制主要在特征频率比(等离子体振荡频率与电子回旋频率之比)大于1的参数范围内起作用,而ECME则是在特征频率比小于1的参数区间内起作用的。请注意,在日冕中,特别是在相对高的大气层次中,等离子体参数大都满足特征频率比大于1,故研究中多采用束流电子驱动的传统PE机制解释相应的太阳射电爆发现象。

针对处于特征频率比大于1参数环境中的射电辐射机制,本工作利用粒子模拟(PIC)方法研究了由具有DGH(一种双边损失锥类速度分布)分布的高能电子所激发的等离子体辐射过程,设特征比等于10,该过程分为两步:(1) 几种模式的线性激发过程,由DGH分布电子驱动回旋共振不稳定性,激发高杂波、Z模和哨声波;(2) 非线性波波作用过程,由几乎反向传播的Z模和哨声(W)模并合产生基频辐射,由几乎反向传播的高杂模并合产生谐频辐射。其中,基频主要为O模偏振,而谐频则为O模与X模的混合偏振。这种辐射机制可视为ECME与传统PE机制的一种混合体,特别是所提出的Z模与W模并合产生基频O模的过程是一种相对新的等离子体辐射过程,在以往文献中较少提及。需开展进一步的观测数据分析和模拟计算,才能验证该过程是否能很好解释不同类型的射电现象。

论文发表于The Astrophysical Journal Lettershttps://doi.org/10.3847/2041-8213/ab7750)。该工作由山东大学空间科学研究院、前沿交叉科学青岛研究院研究人员与合作者共同完成,得到了国家自然科学基金委和山东大学青年学者基金的资助。作者感谢天津超算中心天河2号和天河3号提供的计算资源以及洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL,Los Alamos National Laboratory)提供的VPIC(Vector Particle-In-Cell)开源粒子模拟程序。本简报由文章主要作者倪素兰、陈耀完成。


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图1 左:(a)-(d)电子速度分布(背景和高能)随时间的演化,黑色虚线为哨声(W)模的扩散曲线;(e)各电磁场分量的能量随时间的演化;(f)各模式的电场能量随时间的演化,两条竖线将模拟分为三个时间段。右:(a)-(b)左右旋偏振分量频域的最大波幅在波数空间的分布情况,图中弧状增强为谐频辐射;(c)-(d)分别给出了几乎反向传播的Z模和哨声模并合产生O模基频和几乎反向传播的高杂波并合产生谐频辐射的可能波矢组合。

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图2(左):(a)-(c)三个阶段的各电场分量频域的最大波幅在波数空间的分布;(d)是(c)的局部放大图,三条虚线表示作色散分析时所取的方向。图3(右):模拟后期各电场分量沿0°、45°、75°以及90°传播角的色散分析。



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1 杨金波

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