In situ observations of large-amplitude Alfven Waves heating and accelerating the solar wind

这是一篇对我启发非常大的文章，工作做得非常漂亮！ 所以尽管我和这篇文章没有一点关系，但是还是想写一篇astro-ph的推文来记录一下hhh。 这篇文章的主要作者是来自于哈佛-史密松天体物理中心的Yeimy Rivera 和Samuel Badman，主要探讨了太阳风在日球层中加速和加热的关键机制，提供了大幅度阿尔芬波参与这些过程的直接证据。 由于结果的重要性，文章于上个月发表在了Science上 (P1)。

空间物理中一个十分重要的问题是，太阳风粒子从日冕被释放之后，为什么会被加速，以及部分等离子体的温度为何会升高？ 加热与加速粒子的能量来源是什么？ 实际上，空间物理学家们早就通过理论预言了阿尔芬波的存在，并指出它们可能在这个过程中起到关键作用。 阿尔芬波是一种在等离子体中传播的波动，类似于海洋中的波浪，不同的是它是由磁场线的振荡产生的，能将太阳磁场中的能量传递给太阳风中的粒子，进而加热和加速它们。 关于能量传输过程有多种理论解释，我们普遍认为，太阳风粒子的加速主要来源于回旋共振(cyclotron resonance，指当波的频率与粒子的回旋频率相当时，能量会从波传递至粒子)；而加热过程通常与加速伴随，可能来自反射湍流驱动的能量转移(reflected-driven turbulence)以及湍流耗散(turbulent dissipation)，湍流能量通过反射、非线性相互作用等方式耗散，从而转化为热能。 尽管理论看起来很美好，但是实际上我们一直缺少可以作为关键证据的观测结果。 而于2018年以及2020年升空的来自NASA的Parker Solar Probe和来自ESA的Solar Orbiter为我们提供了绝佳的机会，Parker Solar Probe是史上最接近太阳的人造探测器，它深入日冕附近区域，提供了前所未有的高分辨率数据，帮助我们直接观测阿尔芬波及其对太阳风加热和加速的作用。 Solar Orbiter则具备独特的轨道设计，能够从多个角度观测太阳并且也可以达到0.3AU的距离，它结合成像和就地测量，可以详细研究太阳活动区的磁场、粒子流以及湍流特性。 两者互为补充，可以为我们研究空间中太阳风的径向演化带来绝佳的观测机会。

而这篇文章就抓住了这样一个观测机会。 在2022年初，这两颗卫星观测到了同一股太阳风，PSP在13.3倍太阳半径处（日冕内部）观测到，而Solar Orbiter在127.7倍太阳半径处 (P2 展示了两颗卫星在这段时间的轨迹的对应结果)。 这是令人振奋的观测，同一股太阳风，完全不同的位置，同样先进的两颗卫星，研究两者之间动力学参数的差异，可以为我们揭示其内部能量的演化过程！ 作者将在两个位置所观测的太阳风动力学参数表示在了图以及表中（P3和P4）。 可以看到，太阳风速度得到了显著增加（386 km/s到512 km/s），而温度尽管在SO处绝对值减小，但仍旧大于仅考虑球形膨胀时在该处的温度。 这就说明，在传递的过程中，粒子的能量增加了。 而能量来自于哪里呢？答案是阿尔芬波。 作者同样用一张图和一张表(P5和P6)的观测作为了举证，发现当考虑了阿尔芬波的能量的变换时，我们才可以满足等离子体的能量守恒，这就为粒子的能量来源于阿尔芬波提供了直接证据。 最后，作者用一幅图阐释了阿尔芬波在太阳风中的能量耗散和粒子加速的过程，太阳风中的阿尔芬波如何随着传播其能量逐渐被耗散，转移给周围的等离子体，进而加热和加速这些粒子。 符合波模型的曲线与观测的位置拟合程度好到令人惊讶 (P7)。

这篇文章并没有用到太多高深的技巧，解决的就是很显然且重要的问题，用了很直接且易懂的方法，结合划时代的观测，成为了一篇十分优秀的论文。 天文就是一个依赖于观测的学科，好的数据才会有好的发现！ 而现在正是太阳和空间物理的好时候，PSP越来越接近太阳，数据越来越重要，而Solar Orbiter也会在明年开始将轨道的纬度升高来实现人类首次观测太阳极区！ 期待越来越多的好工作出现！ 也期待自己能参与其中的一部分！

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