终止激波在太阳耀斑粒子加速过程中的作用

Solar flares are the most energetic energy release phenomena in the solar atmosphere. It is generally accepted that magnetic reconnection plays an important role in converting a large fraction of the released energy to that contained in energetic particles. However, the primary particle acceleration mechanism is still unclear. In the standard two-ribbon solar flare model, a fast mode termination shock (TS) can develop when the supermagnetosonic reconnection outflow encounters the post-flare loops. Recently, Chen et al. (2015, Science) presented convincing observational evidence for the existence of a TS and its role in particle acceleration. We propose in this project to focus on the effect of TS in particle acceleration in solar flares. We will numerically model particle acceleration at a reconnection driven TS obtained from MHD simulations by solving the Parker transport equation, calculate X-ray and microwave emissions and make comparisons to observations. We will show how such a large number of particles are efficiently accelerated in a short time at the TS. The project will greatly advance our understanding of the role of TS in dynamic processes of solar flares, and is also of general importance for understanding particle acceleration and emissions in other space and astrophysical environments.

耀斑是太阳大气中最为剧烈的能量释放现象，其中很大部分能量通过磁重联过程转化为高能粒子的能量，但粒子加速的主要物理机制尚不清楚。根据标准双带耀斑模型，当重联出流冲击到下方闭合磁环时，如果流速超过局地快磁声速则可能在耀斑环顶产生一快模激波，即终止激波。最近，Chen等(2015，Science)的研究为终止激波的存在性及其对高能电子的加速作用提供了强有力的观测证据。本项目拟聚焦于终止激波的粒子加速效应这一主题，基于磁重联驱动终止激波的磁流体力学模拟，通过数值求解Parker粒子输运方程来模拟粒子在终止激波的加速过程，计算高能电子激发的X射线和微波辐射并与耀斑观测数据进行对比，力图回答终止激波这一机制能否以及如何在短时间内有效地加速大量粒子这一问题。本项目研究有助于加深对终止激波在耀斑动力学过程中所起作用的认识，对于理解其它空间和天体物理现象中的粒子加速和辐射也具有普遍的科学意义。

太阳耀斑伴随剧烈的能量释放，大量粒子在短时间内被加速至高能量，被加速的高能电子进一步激发非热辐射，如硬X射线和微波辐射。磁场重联被认为在耀斑的能量释放和转化过程中扮演了重要的作用，但粒子加速的物理机制仍是存在很大争议的一个问题。根据标准耀斑模型，当快速的磁重联出流撞击到下方的闭合磁环时，可在耀斑环顶产生一个快模激波，称为耀斑终止激波。高能电子激发的非热辐射可诊断电子的加速和传播，环顶上方的日冕硬X射线源（所谓的Masuda耀斑）和微波辐射源表明耀斑中能量释放和粒子加速发生在日冕区域，终止激波是可能的机制之一。尽管终止激波很早便被引入耀斑的理论模型、并在数值模拟中得到，但仍缺乏系统的研究，对终止激波这一机制能否有效加速粒子、解释耀斑非热辐射观测结果仍不清楚。.本项目聚焦于耀斑终止激波粒子加速机制，基于耀斑磁重联的时变磁流体力学模拟开展了电子加速和传播的数值模拟研究。模拟结果清楚表明电子可被终止激波有效地加速，获得可解释著名Masuda耀斑的环顶非热电子源，高能电子的空间分布和能谱与观测基本一致，肯定了耀斑终止激波这一粒子加速机制的作用；发现由于重联出流撞击耀斑环顶而产生的磁阱结构对加速和束缚粒子、产生环顶源起到重要作用；发现等离子体团撞击环顶时能动态调制高能电子的空间分布和能谱，可应用于理解耀斑非热辐射随时间的快速变化（如常见的准周期振荡）；基于耀斑磁重联驱动的一对终止激波，首次模拟出一些耀斑观测到的日冕硬X射线双源结构；发现湍流的投掷角散射等效应，不仅影响电子在环顶的加速，而且会影响电子在耀斑环中的传播，进而影响环足源的能谱和强度。.本项目通过系列研究工作构建了耀斑中高能电子加速、传播和辐射的跨尺度数值模型，丰富了耀斑终止激波这一加速机制的物理图景，有助于提高对耀斑动力学过程的整体认识，达到了预期研究目标。