太阳风加速和加热是太阳和空间物理悬而未决的重大科学问题。其本质是动理学（kinetic）过程，而质子和阿尔法粒子之间的差分特性是其中的关键特征。尽管阿尔法粒子（He++）质量较质子（H+）更大，但却有着更高的速度和温度，这表明阿尔法粒子被优先加速和加热。研究质子和阿尔法粒子之间的差分特性，对于理解太阳风的加速加热机制至关重要。
Parker Solar Probe（PSP）卫星在人类从未涉足的区域对太阳风进行了就地测量，特别是从2021年开始观测到了亚阿尔芬速太阳风，首次提供了在太阳风加速的源区来研究质子和阿尔法粒子差分特性的机会。中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室刘颍研究员课题组利用PSP的就地测量数据，致力于解答以下关键科学问题：（1）质子和阿尔法粒子的差分速度在PSP观测距离上（<0.3AU）随着太阳风速度是如何变化的？（2）该差分速度在阿尔芬表面内外有什么区别？（3）PSP在太阳附近所观测到的普遍存在的磁力线回转现象（本质为阿尔芬波动）对差分速度造成怎样的影响？
图1展示了在超阿尔芬速太阳风（第一行）与亚阿尔芬速太阳风（第二行）中差分速度与阿尔芬速度之比（Vap/VA, 第一列）和磁力线偏转角（第二列）的分布。在超阿尔芬速太阳风中，Vap/VA几乎完全处于（0，1）的区间，并且随着太阳风速度的增加而增大。Vap/VA<0的值出现在最慢的太阳风中，而Vap/VA>1的值较为稀少且出现在最快的太阳风中。磁偏转角的分布表明磁力线顺时针偏转（负值）占据主导，研究人员认为这是由于帕克螺旋线本身顺时针的几何形状所导致的。太阳风速度越快，这样的偏向性顺时针偏转现象越不明显，这是由于在更快的太阳风中帕克螺旋线更加径向。对于亚阿尔芬速太阳风，仍旧可以看到差分速度随着太阳风速度的增加而增大，Vap/VA小于0的数据出现在最慢的太阳风中，而Vap/VA大于1的值则几乎消失。磁偏转角也有偏向性顺时针偏转的现象，但是随着太阳风速度的变化其大小几乎保持不变（分布宽度相同）。这符合刘颍等人在2023年提出的“低马赫数边界层”(LMBL)理论，即所观测到的亚阿尔芬速太阳风来源于冕洞的边界，其较低的阿尔芬马赫数抑制了阿尔芬波动，从而导致在任何速度的太阳风中磁偏转角均较小。
图1：质子和阿尔法粒子的差分速度与磁力线偏转角的分布
图2展示了质子和阿尔法粒子的差分速度随着磁偏转角与阿尔芬马赫数的演化。由左图可知，差分速度随着磁偏转角的增加有减小的趋势。而右图指出，总体而言，差分速度先是随着阿尔芬马赫数增加，一直到MA~2的位置然后再开始降低，这表明阿尔法粒子在阿尔芬表面以外仍然被优先加速，而以往的研究则认为对阿尔法粒子的优先加速主要发生在阿尔芬表面以内区域。研究人员进一步给出了不同速度范围的太阳风内差分速度随阿尔芬马赫数的演化，在较慢的太阳风中，阿尔法粒子的优先加速发生于阿尔芬表面以内区域；而在最快的太阳风中，阿尔法粒子的优先加速持续至阿尔芬表面以外区域。研究人员认为快太阳风中阿尔法粒子在阿尔芬表面以外仍然被优先加速的原因有两点：快太阳风中对重离子的优先加速机制更强，或粒子之间的库伦碰撞更稀少。
图2：差分速度随着磁偏转角与阿尔芬马赫数的演化
图3展示了阿尔法粒子和质子在阿尔芬波动中的行为。第一行给出了质子和阿尔法粒子的径向速度变化（与阿尔芬速度的比值）随着磁偏转角的演化。根据刘颍等人（2023）的理论，质子的径向速度变化与阿尔芬速度的比值应该符合1-cos ，研究人员在更大的统计下验证了这个关系。而阿尔法粒子则较为偏离这个关系，表明阿尔法粒子受阿尔芬波动的调制更弱。第二行展示了质子和阿尔法粒子在阿尔芬表面内外法向速度（与阿尔芬速度的比值）随法向磁场的演化，并标注了在不同情况下两者的相关系数。无论是在阿尔芬表面以内还是以外，质子均受到了很好的调制。而阿尔法粒子则是在阿尔芬表面以内受到了明显的调制，但是在阿尔芬表面以外受到的调制减弱。研究人员认为，在阿尔芬表面以内，差分速度相对于阿尔芬速度较小，这导致阿尔法粒子和质子在阿尔芬波动中受到的调制相近。
图3：阿尔法粒子和质子在阿尔芬波动中的行为
该论文发表于The Astrophysical Journal，第一作者为研究生冉豪，通讯作者为刘颍研究员。此项研究揭示了质子和阿尔法粒子的差分速度在年轻太阳风中的关键特性，包括随太阳风速度的变化、在阿尔芬表面内外的对比、对阿尔芬波动的响应等，对理解太阳风的加速和加热机制（特别是对重离子的优先加速）具有重要意义。审稿人评价：“这是对帕克太阳探测器在首次观测到阿尔芬面附近太阳风的一次新颖的研究...”“这份研究报告了在全新的观测区域内阿尔法粒子-质子差分流的新颖且有用的观测...”“并且给出了对可能的物理机制的有用探讨。”（“This is a novel line of investigation since Parker provides such measurements for the first time…”, “this study reports useful and novel measurements of alpha-proton differential streaming in a new regime of the solar wind…”, “gives useful discussion on possible physical implications.”）
Citation:
Hao Ran, Ying D. Liu, Chong Chen, and Parisa Mostafavi, The Alpha-Proton Differential Flow in the Alfvenic Young Solar Wind: From Sub-Alfvenic to Super-Alfvenic, 2024, The Astrophysical Journal, 963, 82
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad2069
（供稿：天气室）
