[论文解读] Dissipation of the sectored heliospheric magnetic field near the heliopause: a mechanism for the generation of anomalous cosmic rays

J. F. Drake, M. Opher+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2009

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 128

一句话总结

该论文提出，异常宇宙射线（ACRs）并非在日球层终端震波处产生，而是通过在日球层顶附近螺旋形日球磁场耗散形成的收缩磁岛中发生的无碰撞磁重联过程产生。粒子-网格模拟显示，离子在磁岛收缩过程中通过一阶费米加速获得能量，当达到临界火绒河条件时能量释放达到峰值，产生谱指数略高于1.5的幂律ACR能谱。

ABSTRACT

The recent observations of the anomalous cosmic ray (ACR) energy spectrum as Voyagers 1 and 2 crossed the heliospheric termination shock have called into question the conventional shock source of these energetic particles. We suggest that the sectored heliospheric magnetic field, which results from the flapping of the heliospheric current sheet, piles up as it approaches the heliopause, narrowing the current sheets that separate the sectors and triggering the onset of collisionless magnetic reconnection. Particle-in-cell simulations reveal that most of the magnetic energy is released and most of this energy goes into energetic ions with significant but smaller amounts of energy going into electrons. The energy gain of the most energetic ions results from their reflection from the ends of contracting magnetic islands, a first order Fermi process. The energy gain of the ions in contracting islands increases their parallel (to the magnetic field ${\bf B}$) pressure $p_\parallel$ until the marginal firehose condition is reached, causing magnetic reconnection and associated particle acceleration to shut down. The model calls into question the strong scattering assumption used to derive the Parker transport equation and therefore the absence of first order Fermi acceleration in incompressible flows. A simple 1-D model for particle energy gain and loss is presented in which the feedback of the energetic particles on the reconnection drive is included. The ACR differential energy spectrum takes the form of a power law with a spectral index slightly above 1.5. The model has the potential to explain several key Voyager observations, including the similarities in the spectra of different ion species.

研究动机与目标

• 解决旅行者号观测显示ACR强度在日球层鞘内持续增加，与传统模型中ACRs由终端震波处的扩散性激波加速所预测的结果之间的矛盾。
• 研究尽管螺旋形日球磁场在拓扑上易发生重联，为何其能持续至90 AU，特别是在无碰撞日球环境中。
• 探讨高能离子压强反馈对磁重联动力学的作用，特别是通过临界火绒河条件的作用。
• 构建一个自洽的粒子加速模型，以解释观测到的ACR能量谱和离子种类相似性。
• 通过展示在不可压缩、无碰撞流体中的一阶费米加速，挑战帕克输运方程中的强散射假设。

提出的方法

• 通过粒子-网格（PIC）模拟，对日球层顶附近由压缩螺旋形磁场形成的收缩磁岛中的无碰撞磁重联进行建模。
• 采用一维磁岛收缩模型，通过假设磁矩和纵向规范动量守恒，推导粒子通过一阶费米加速获得的能量。
• 将临界火绒河条件 $p_{\parallel} - p_{\perp} - \frac{B^2}{4\pi} = 0$ 作为反馈机制，用于终止磁重联和粒子加速过程。
• 推导包含磁能、内能和流动能的能量平衡方程，以模拟磁岛收缩动力学，关键变量包括 $L$（磁岛长度）、$u$（收缩速度）、$c_{A0}$（阿尔文速度）和 $\beta_0$（等离子体β值）。
• 分析最大收缩速度 $u$ 的条件，表明当火绒河条件被违反时，$u$ 达到峰值，从而自洽地限制磁重联过程。
• 将结果与帕克输运方程进行比较，突出在不可压缩、低碰撞性等离子体中强散射假设的失效。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何异常宇宙射线在超越日球层终端震波后仍持续增加强度，与基于激波加速模型的预测相悖？
• RQ2 在拓扑复杂性高且易发生重联的条件下，螺旋形日球磁场如何能持续至90 AU而不发生快速重联？
• RQ3 在无碰撞、不可压缩等离子体中，标准扩散性激波加速机制失效时，何种机制可实现高效的粒子加速？
• RQ4 高能离子压强对重联动力学的反馈如何调节加速过程并终止能量释放？
• RQ5 在收缩磁岛中的一阶费米加速机制能否重现观测到的谱指数约为1.5的幂律ACR能量谱？

主要发现

• 螺旋形日球磁场在日球层顶附近压缩，使电流片变窄，触发无碰撞磁重联，成为主要的能量释放机制。
• 粒子-网格模拟显示，大部分磁能被转移至离子，电子也获得显著但较小的能量输入，这是由于磁岛收缩期间高效的平行加热所致。
• 最活跃的离子通过反复反射于收缩磁岛两端，经历一阶费米加速，能量增益随磁岛缩小而增加。
• 当临界火绒河条件 $p_{\parallel} - p_{\perp} - \frac{B^2}{4\pi} = 0$ 达到时，磁重联和粒子加速停止，提供一种自洽的反馈调节机制。
• 由此产生的ACR微分能量谱呈幂律分布，谱指数略高于1.5，与旅行者号观测结果一致。
• 该模型挑战了帕克输运方程中的强散射假设，证明在一阶费米加速可在不可压缩、无碰撞流体中发生，且不违反能量守恒。