太阳爆发过程中会加速产生大量的高能量粒子，可能造成近地空间中高能粒子的通量突然增强，称为太阳高能粒子（Solar Energetic Particles，SEPs）事件。SEP事件是最具危害性的空间天气要素之一，随着载人航天和深空探测等空间活动的日益频繁，对其加速和传播机制研究的重要性更加明显。

位于1AU的卫星观测发现，一些大型SEP事件的事件积分能谱经常呈现双幂律谱的特征，且断点能量依赖于离子的荷质比。双幂律能谱作为大型SEP事件的一个重要观测特征，对于理解SEP起源、加速和传播的物理机制尤为关键，但双幂律谱的形成机制目前仍不清楚。本工作利用数值模拟的方法研究了日冕激波扫过冕流磁场时对粒子（包括质子和重离子）的加速作用，并提出了一个“不同源区高能粒子能谱叠加”的图景来解释双幂律能谱的产生机制（见图1）。

数值模拟表明，不同种类离子在整个模拟域积分的能谱都表现为双幂律谱，且断点能量与离子的荷质比具有幂律关系，与通过激波粒子加速理论的分析一致。进一步，我们分析了沿激波面三个不同局部区域的粒子能谱（见图2）。发现在冕流区和非冕流区粒子的能谱都是“幂律谱×指数下降”的形式，而在二者之间的过渡区域粒子的能谱近似为双幂律谱。这一结果可以用我们提出的叠加图景来解释：高于100MeV的高能粒子主要起源于加速效率更高的冕流区域，其中一小部分冕流区的高能粒子由于扩散与非冕流区局地加速的粒子发生混合，能够抬升高能段的能谱，从而导致产生双幂律谱特征。

另外，我们发现被加速粒子的扩散和混合过程也可以解释一些SEP事件中观察到的Fe/O在高能量增加的现象（见图3）。本工作不仅表明在近太阳处的日冕激波粒子加速过程中就能产生双幂律能谱，而且预示沿激波面不同位置处的高能粒子能谱特征会有显著变化。近年发射的Parker Solar Probe和Solar Orbiter卫星能够提供近太阳处即靠近粒子加速源区的SEP观测数据，将可对我们的模拟结果进行检验。

这一研究工作是由山东大学空间科学研究院、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和亚利桑那大学等单位合作完成，已被The Astrophysical Journal Letters接收。作者感谢国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程和山东大学青年学者未来计划等项目的支持。

论文arXiv链接：https://arxiv.org/abs/2201.06712

图1.（a）根据扩散激波加速理论，对一维平面激波，Parker粒子输运方程的稳态解是单一的幂律谱（黑线）。在粒子加速和输运过程中，由于有效加速时间、绝热冷却等因素，粒子能谱通常在高能段下降（蓝线）。但对于很多大型SEP事件呈现的双幂律能谱（红线），其产生机制仍不清楚。（b）“叠加图景”解释双幂律能谱的产生机制。蓝色实线是两个具有不同断点能量的“幂律谱×指数下降”能谱（蓝色虚线）叠加得到的。

图2.（a）激波传播到4个太阳半径时，能量高于10 MeV质子的空间分布图。（b）和（c）给出被加速质子在区域I（非冕流区）、II（冕流区）和III（过渡区）的能谱图。（d）给出区域IV和V及其叠加的能谱图。（e）给出区域II和IV及区域IV和0.05倍区域II叠加的能谱图。

图3.（a）和（b）分别是激波传播到3.5个太阳半径时，能量高于10 MeV铁和氧的空间分布图。（c）和（d）给出区域I、II和III中Fe/O随着能量的变化。