激波是宇宙空间中重要的物理现象之一，激波可以把带电粒子加速到非常高的能量。比如，超新星爆发伴随的激波被认为可以产生GeV能量的宇宙线粒子；太阳爆发伴随的激波可以产生MeV能量的太阳宇宙线粒子。目前科学界提出的激波对粒子加速的机制主要为两种：一阶费米加速和激波漂移加速。一阶费米加速的物理图像可以类比为一个乒乓球在两个相互靠近的球拍之间不断反弹而导致动能不断增加。激波漂移加速的物理图像是带电粒子在激波上游回旋半径大、在下游回旋半径小而导致粒子会在激波面上沿着电场方向漂移而获得能量。行星际空间中存在很多激波加速高能粒子的现象，而这类现象由上述哪种加速机制所主导，仍是一个待解决的问题。
上世纪60年代以来，科学家们利用卫星数据对行星际激波加速高能离子的现象进行了广泛的观测和研究，这些研究大多着重于高能离子的能谱特征，而对高能离子角分布特征的研究却十分匮乏。由于卫星仪器设计和半导体探测器性能的限制，10-40keV能量范围内的离子三维速度分布一直没有有效的观测数据，而该能量段作为从热离子到高能离子的过渡能量段，对理解激波如何把低能热离子加速到很高的MeV能量有着承上启下的作用。直到STEREO飞船上搭载的PLASTIC仪器（等离子体和超热离子谱仪）的出现，才填补了这个能量范围内离子观测的空白。
近日，北京大学空间物理与应用技术研究所的杨柳博士研究生和王玲华教授，与德国基尔大学PLASTIC仪器数据分析团队进行合作，使用该仪器的原始观测数据，对行星际激波处10-40keV离子的加速现象及机制进行了研究。他们从PLASTIC的原始数据中挑出H+、He2+和He+离子的三维观测，对每个观测到的离子计算其在太阳风参考系内的投掷角，之后把一定时间内观测到的所有离子数据整合，进而重构出一次有效的10-40keV离子角分布的观测，如图1所示。然后他们选取了一个行星际激波作为研究事例，该激波是由高速太阳风追赶并挤压低速太阳而形成，于2008年3月9日被STEREO飞船观测到。他们选取了两段上游时间和两段下游时间，如图2所示，对H+、He2+和He+离子的角分布进行了重构。他们发现在激波下游，三种离子的角分布都呈现出垂直于磁场的各向异性；在激波上游，他们观测到三种离子平行于磁场的逃逸成分，如图3所示。这样的角分布观测以及不同种类离子具有相似角分布的现象，与激波漂移加速机制的预期相符合，说明行星际激波对10-40keV离子的加速主要是通过激波漂移加速机制实现的。
该项研究通过对STEREO飞船上搭载的PLASTIC仪器的原始观测数据进行重构，首次给出了行星际激波上下游10-40keV离子的角分布观测，填补了目前科学界对该能量范围内离子角分布的观测空白，同时证明了行星际激波对10-40keV离子的加速主要是通过激波漂移加速机制实现的，增进了人们对激波如何将低能离子加速到高能离子问题上的认知，从而为进一步完善激波加速理论提供了观测支持和指导方向。本论文发表在本领域著名的学术期刊The Astrophysical Journal Letters上。
文章列表及链接：
L. Yang, L. Berger, R. F. Wimmer-Schweingruber, L. Wang, J. Yu, A. B. Galvin, and E. Möbius, The Pitch-angle Distributions of Suprathermal Ions near an Interplanetary Shock, 2020, ApJL, 888, L22 (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab629d)
图1：STEREO/PLASTIC的原始三维观测数据(a)-(b)，以及重构得到的10-40 keV He2+离子投掷角分布(e)-(g)。
图2：STEREO/PLASTIC在2008年3月9日观测到的行星际激波事件。
图3：该行星际激波下游(a)-(b)和上游(c)的H+、He2+和He+离子投掷角分布。
