[论文解读] The Heliospheric Ambipolar Potential Inferred from Sunward-Propagating Halo Electrons

Konstantinos Horaites, Stanislav Boldyrev|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2022

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 64被引用 6

一句话总结

该论文表明，太阳风中向太阳方向传播的螺旋电子在内日球层中以无碰撞方式演化，符合刘维尔定理。通过将刘维尔映射应用于帕克太阳探测器SPAN-E的数据，作者推断出一种星际电势，该电势解释了0.18–0.79 AU范围内近100%的质子加速，提供了强有力的证据，表明同一宏观尺度电势既加速了质子，也塑造了电子螺旋分布。

ABSTRACT

We provide evidence that the sunward-propagating half of the solar wind electron halo distribution evolves without scattering in the inner heliosphere. We assume the particles conserve their total energy and magnetic moment, and perform a "Liouville mapping" on electron pitch angle distributions measured by the Parker Solar Probe SPAN-E instrument. Namely, we show that the distributions are consistent with Liouville's theorem if an appropriate interplanetary potential is chosen. This potential, an outcome of our fitting method, is compared against the radial profiles of proton bulk flow energy. We find that the inferred potential is responsible for nearly 100% of the proton acceleration in the solar wind at heliocentric distances 0.18-0.79 AU. These observations combine to form a coherent physical picture: the same interplanetary potential accounts for the acceleration of the solar wind protons as well as the evolution of the electron halo. In this picture the halo is formed from a sunward-propagating population that originates somewhere in the outer heliosphere by a yet-unknown mechanism.

研究动机与目标

• 利用原位测量研究内日球层中向太阳方向传播的螺旋电子的无碰撞演化。
• 检验刘维尔定理——相空间密度守恒——是否适用于电子螺旋分布。
• 从螺旋电子速度分布函数（eVDFs）推断星际双极电势，并与质子流体动能进行比较。
• 确定导致质子加速的同一宏观尺度电势是否也控制电子螺旋的演化。
• 提供一种理论上更稳健的替代方法，以补充现有基于核心耗竭技术的双极电势估算方法。

提出的方法

• 对帕克太阳探测器SPAN-E仪器测量的电子投射角分布（PADs）执行刘维尔映射。
• 假设螺旋电子保持总能量和磁矩守恒，应用刘维尔定理将eVDFs从一个日心距离映射到另一个日心距离。
• 使用二维拟合方法，结合多项式系数（表2），对电势的径向依赖性进行建模，将ϕ(r)视为拟合参数。
• 将推断出的电势与基于原位测量计算的质子流体动能径向分布进行比较。
• 采用一维和二维方法计算参考点与观测点之间的电势差Δϕ(r₁, rk)。
• 通过验证推断电势与使质子加速至观测速度所需能量一致，来验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 内日球层中向太阳方向传播的螺旋电子是否如刘维尔定理所预测的那样，无散射地演化？
• RQ2 能否从螺旋电子分布函数中的能量偏移可靠地推断出星际双极电势？
• RQ3 推断出的电势在多大程度上解释了太阳风中观测到的质子流体动能？
• RQ4 是否同一宏观尺度电势同时负责质子加速和电子螺旋的径向演化？
• RQ5 与基于核心耗竭的方法相比，该基于刘维尔的方法在理论稳健性和观测适用性方面有何差异？

主要发现

• 在内日球层（0.18–0.79 AU）中向太阳方向传播的螺旋电子以无散射方式演化，与刘维尔定理一致。
• 推断出的双极电势解释了0.18至0.79 AU日心距离范围内98%的质子流体动能。
• 通过刘维尔映射推断出的径向电势分布表现出幂律依赖关系ϕ(r) ∼ r^αΦ，其中αΦ ≈ -1.69，与基于核心耗竭方法的先前估计一致。
• 二维拟合方法（表2）成功地利用多项式系数Aij对电势进行建模，形式误差可忽略不计。
• 螺旋电子分布最合理的解释是：一个起源于0.8 AU以外的向太阳运动电子群体，其传播过程中无局部散射的证据。
• 基于刘维尔映射的方法在理论上比依赖麦克斯韦核心启发性假设的核心耗竭方法更具稳健性。