快电子束的传播动力学效应对太阳射电爆发的影响

Solar radio bursts (SRBs) are one of the most important solar eruptive activities, which are observed most in detail and produced by the induced radiation of fast electron beams (FEBs) propagating in plasma. On the other hand, auroral kilometric radiation (AKR) is unique in situ measurable source as well as the nearest one of astrophysical radio radiations, and hence is a natural laboratory for the study of radio radiation mechanisms. A few NSFC projects finished by us have investigated the electron cyclotron maser (ECM) emission mechanism driven by power-law FEBs and its application to SRBs as well as the acceleration mechanism of auroral energetic electrons, and some important progresses have been made. Besides producing SRBs, however, propagating FEBs can cause other serious dynamical processes in the plasma, such as establishing the beam-return current system, exciting low-frequency electromagnetic waves, and so on. Based on these finished projects, the present project plans to study in detail these dynamical processes of propagating FEBs and their effects on SRBs, in order to set up a self-consistent model of SRBs. This will improve our understanding on the physical nature of SRBs and the propagation dynamics of FEBs.

太阳射电爆发是最主要的太阳爆发活动之一，也是天文观测最细致的天然射电爆发现象。它们主要由在等离子体中传播的快电子束的感应辐射产生。极光千米波辐射是离人类最近、唯一可直接探测其辐射源区的天然射电辐射现象，是研究天体射电辐射机制的天然实验室。在已经完成的几个基金项目中，我们对具有幂律能谱快电子束的回旋脉泽辐射机制及其在太阳射电爆发现象中的应用、以及极光电子束的加速机制等进行了一系列的深入研究，并取得了一些重要进展。快电子束在等离子体的传播过程中，除了产生射电爆发之外，还会引起许多其它等离子体动力学过程，例如导致束流－回流系统、激发低频电磁波等，并对快电子束的回旋脉泽辐射产生直接影响。本项目计划在我们前期研究的基础上，进一步深入研究快电子束传播过程中的动力学演化及其对射电爆发现象的影响，以期建立一个自恰一致的太阳射电爆发模型，增进我们对太阳射电爆发机制和快电子束传播动力学的理解。

本项目自2018年获得国家自然科学基金委员会批准立项以来，项目课题组成员在项目执行期间（2019年1月1日至2022年12月31日）的4年时间里，围绕“快电子束传播动力学效应对太阳射电爆发的影响”这一主题，按照项目研究计划的安排，从以下三个方面组织、开展了一系列研究工作：1）快电子束传播过程中的参数演化以及对其射电辐射动力学谱的影响；2）快电子束和载流粒子束的电动力学效应与等离子体波动激发过程；3）快电子束和载流粒子束的能量耗散与等离子体加热过程。有关研究成果已经撰写完成学术研究论文20篇。取得的研究成果主要有：1）研究了快电子束传播过程中的参数演化以及对其射电辐射动力学谱的影响，为太阳射电爆发动力学谱呈现出的复杂的多样性以及从日冕到行星际空间的射电暴传播演化特征，提供了一种合理的物理解释；2）研究了快电子和载流粒子束的电动力学效应及其等离子体波动激发过程，为快电子束及其载流系统的能量耗散和相关波动现象提供了合适的理论依据；3）研究了快电子束和载流粒子束的能量耗散与等离子体加热过程，为进一步全面了解快电子束的动力学效应提供了必要的理论基础。