最近，中国科学技术大学的郭静楠教授和汪毓明教授带领的跨国科研集体，在太阳高能粒子增速与扩散领域获得了显著突破，这项研究以《国家科学评论》为刊，用《更快太阳高能粒子延迟抵达作为冲击加速机制探查》为名进行了发表。

普遍看法指出，太阳活动时发出的高能粒子较之低能粒子，会更快抵达观察者那里，这种现象在动态能谱中表现为典型的粒子速率色散构造，也就是快速粒子先到、慢速粒子后至的现象。这项工作记录了十个逆向速度色散的太阳高能质子事件，称激波扩散机制是将质子约束并提升至数兆电子伏特的关键因素，这一观点打破了旧有认知，也为直接审视粒子真实加速机制提供了新的检测途径。

观测：十个IVD案例与分析方法

太阳活动时会喷射出高能粒子流，这对航天器和人类太空任务构成显著辐射威胁。一般看法是这些粒子几乎同时发射出去，并且大致遵循相同的星际轨迹飞往探测器，结果能量大的粒子比能量小的粒子先抵达地球，这种现象在粒子探测器的能量分布图中显现为速度色散效应。最近，欧洲航天局Solar Orbiter上的高能粒子监测设备，在距离太阳约一个天文单位的位置，记录了多次反常现象：能量较高的质子反而抵达时间更晚。

研究小组全面整理了Solar Orbiter在2022至2024年间的观测资料，特别针对三个资料最齐全的案例进行了细致探究。调查表明，能量值在2MeV左右存在明显分界，低于此阈值的粒子呈现出惯常的速度弥散形态，而超过该能量水平的粒子则表现出明确的反向速度弥散现象（见图1a）。研究小组借助速度色散检测技术（VDA）测定了常规色散颗粒集体脱落的时刻与行进路线，如图1b所示，并且在全面顾及颗粒的加速原理和加速历程等要素之后，如图1c所示，反复推算出与能量相关的颗粒脱落时刻，从而得到高能粒子的反向色散构造。

图1. 太阳风轨道器在2023年11月9日记录到一次显著的逆向速度色散现象。（a）高能粒子能量随时间变化图示。正常色散粒子的抵达时刻用蓝色圆圈表示，逆向色散粒子的抵达时刻用橙色三角标记；两种粒子的转换能量值大约在2兆电子伏特附近（绿色指示区域）。（b）高能粒子抵达时刻分析图。蓝点代表常规色散粒子喷发的时间点，橘点代表推算出的逆向色散粒子喷发的时间点，黑色虚线是借助扩散激波加速原理拟合出的理论喷发曲线。（c）高能粒子能量分布图。暗示可能存在多个加速阶段或机制分别作用，常规色散部分关联到耀斑加速或初期的激波加速，逆向色散部分则对应到后期的扩散激波加速过程。

理论：加速机制与时间尺度

团队觉得，逆向色散现象能够通过扩散激波促进原理来理解：微粒在激波两侧不断反射并且多次穿过激波层面，能量逐步累积，所以抵达更高能量状态需要更长的促进时间，这反映为能量值越大、出现时刻越迟。所以，高能量逆向色散微粒可以看作是低能量初始正常色散微粒（也就是“基础”粒子）经过进一步促进形成的。

该团队依据扩散激波加速的原理分析，通过研究加速粒子的能量分布情况，例如参考图1c中2023-11-09的事件，反算出激波的压缩程度，并由此推算出激波上下游的速度等难以直接测量的物理量。该团队进一步运用激波参数，计算了扩散激波加速的持续时间，精确地推导出粒子能量随加速过程如何增长，如图2a/b所示，且这一结果与根据观测推断的释放时段变化相符。团队依据观测数据和加速学说，推算出激波在加速粒子过程中的平均行进距离，如图2c所示。三个经过细致探究的事件，均显示出相近的平均行进距离，这有力地证实了扩散激波加速或许是导致逆向色散现象的主要原因。

图2展示了粒子能量怎样随着加速时间发生改变，具体包括，在图a中，通过理论计算可以得出质子要获得特定最终能量需要穿越激波的具体次数，其中有三条线分别代表三次事件不同的激波条件，在图b中，呈现了加速时间与能量变化的对应矩阵。初始能量值在水平方向上显示，最终能量值在垂直方向上呈现，色彩深浅表示粒子从起始状态被加速至目标状态所耗费的时长，此处的激波参数与扩散系数数值源自于2023-11-09这一特定事件的研究数据。（c）根据观测结果计算出的加速时间，与理论模型预测值进行了比较，包含三个子图，分别对应三个不同的事件案例。误差棒标示的数据源自逆向色散测量推算，虚线代表理论方程对测量值的最佳匹配，λ0是匹配计算出加速粒子的平均走径。

亮点

这项工作细致考察了Solar Orbiter探测到的位于1AU范围内的10次高能粒子逆向色散现象，开发了一种逆向速度色散解析方案，精确测定了粒子能量对应的爆发时刻与加速周期；接着借助扩散激波加速理论，首次推导出激波的压缩程度、上下游流速，并从观测实例中还原了扩散激波加速的时标与粒子平均碰撞尺度等核心物理量；成功构建了通过逆向速度色散构造诊断不可直接探测的激波加速区域物理特性的新途径。

郭静楠教授、Daniel Pacheco博士、汪毓明教授为联合署名作者，李昀聪博士研究生为首位执笔人，参与合作的有来自奥地利格拉茨大学的Manuela Temmer教授，以及德国基尔大学的丁浙一博士和Robert F. Wimmer-Schweingruber教授。汪毓明阐述了扩散激波推进的学理说明，郭静楠、Daniel以及李昀聪着手处理并解析了资料，并构建了逆向计算方法，各位同仁展开了详尽的探讨。

这项研究获得国家自然科学资金支持，项目编号为42188101, 42130204, 42474221。Solar Orbiter探测器是欧洲航天局与美利坚合众国航空航天局联手开展的合作计划，由欧洲航天局承担管理职责。太阳探测器上的EPT和EPD科研设备，分别由德国航天机构（DLR）的项目资助，以及西班牙文化、艺术与体育事务部（MINCIN）的项目赞助。