近日，天体物理学快报（The Astrophysical Journal Letters）第889卷L2期刊登了北京大学地球与空间科学学院王玲华课题组题为“Case Study of Solar Wind Suprathermal Electron Acceleration at the Earth’s Bow Shock”的研究成果。
激波是空间等离子体中常见的物理现象，许多观测都显示，激波可以加速带电粒子，是空间中高能粒子的主要加速源之一。许多理论研究表明，激波加速带电粒子主要有两种机制：一阶费米加速（FFA）和激波漂移加速（SDA）。在一阶费米加速中，带电粒子通过在互相靠近的上下游之间来回散射获得能量，在下游可以通过理论计算得到幂律谱；在激波漂移加速中，带电粒子通过沿着感应电场方向的梯度漂移获得能量，垂直于磁场的方向加速最明显。目前对于激波加速电子的具体是那种物理机制，人们仍然不是很清楚。而地球的弓激波是1AU处最强的激波，能够将高能电子加速到几百keV甚至上MeV，这些电子具体是如何被加速的，一直是空间高能粒子物理关注的难题之一。
王玲华课题组利用MMS卫星穿越弓激波的高精度局地观测，结合Wind卫星的太阳风高精度观测，选取了某一天47keV电子加速最强的两个弓激波穿越事件，分析研究了几百eV到几百keV的电子在加速前后的能谱和角分布变化，首次得到了更广的能量范围上更完整的电子加速图景。
两个激波均为准垂直激波，研究发现电子加速前后通量放大倍数在垂直磁场（PAD=90°）附近有峰值，与激波漂移加速理论预测相符合，并且电子被加速前后的能谱形状发生很大的变化，从向上弯折的双幂律谱（黑色实心三角和方框）变成了向下弯折的双幂律谱（红色空心三角和方框），拐点在40 keV左右，两段谱指数均远大于一阶费米加速理论的预测（图1显示的是其中一个激波的电子能谱和角分布）。
图1：事件1的L1，上游和下游处的电子能谱以及投掷角分布
综合以上观测，研究认为地球弓激波电子加速以漂移激波加速为主，利用该机制还能解释下游双幂律谱的形成。当电子的回旋尺度（）小于激波面厚度（
）时，电子被有效地束缚在激波面中，电子漂移时间较长且不随能量变化，漂移加速更有效，能谱形状较平；当电子回旋尺度大于激波面厚度时，电子更容易逃逸出激波面，漂移时间开始随能量减小，加速效率降低，能谱形状变陡，因此在回旋尺度接近激波厚度的能量附近出现了能谱拐点（
），形成了双幂律谱（图2）。
图2：双幂律谱的形成机制解释
这一研究给出了弓激波的电子加速机制是漂移激波加速的直接观测证据，首次观测到了弓激波下游电子的双幂律谱，并且基于观测提出了双幂律谱的形成原因，对弓激波如何加速电子这一问题给出了有力的解答，也为激波的电子加速理论提供了新的线索。
北京大学地球与空间科学学院王玲华教授为本文通讯作者，博士研究生刘子璇为第一作者，地空学院何建森、田晖教授、博士研究生杨柳、山东大学史全岐教授、加州大学伯克利分校Mitsuo Oka教授和wind卫星责任科学家Stuart D. Bale教授以及基尔大学Robert F. Wimmer-Schweingruber教授为本文合作作者。该项研究工作主要获国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目（41861134033）和面上项目（41774183）资助。
文章列表及链接：
Z. Liu, L. Wang, Q. Shi, M. Oka, L. Yang, R. F. Wimmer-Schweingruber, J. He,
H. Tian, and S. D. Bale, Case Study of Solar Wind Suprathermal Electron Acceleration at the Earth’s Bow Shock, 2020, ApJL, 889, L2. (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab64d0/pdf)
