高能太阳物理和天体物理中的粒子加速

对宇宙射线和天体高能辐射的近一个世纪的观测研究充分显示大多数高能粒子和高能辐射最终起源于被高能天体源背景中的电磁场所加速的带电粒子。费米加速机制以及在其基础上发展出来的扩散激波加速模型和随机粒子加速模型已成为这一领域的标准理论框架。不同天体环境下所产生的背景电磁场的统计性质、这一电磁场与高能带电粒子的相互作用以及在较小尺度上与背景等离子体的耦合是发展更定量的理论所需要解决的关键问题。近几十年的观测研究也显示高能天体源的爆发过程是高度非线性的。这意味着决定能量转移过程的电磁场具有多尺度的复杂结构，对有关现象的详细观测分析对理论的发展也至关重要。太阳耀斑和超新星遗迹是具备最详尽的多波段观测的两类高能源。我们将结合对有关数据的系统分析，发展针对这两类源的定量化的磁湍流演化和粒子加速理论，并将这些理论扩展应用到对其他的高能天体源的观测和研究上。

粒子加速问题是高能太阳和天体物理的核心问题，相应的高能粒子的辐射特征更是理解从射电到伽玛射线多波段天文现象的关键。本项目结合太阳耀斑和超新星遗迹的多波段观测特征，详细分析了其中的粒子、特别是电子、的加速机制。通过对一个耀斑环的成像、光变以及光谱演化的详细分析，我们发现耀斑演化过程中的等离子加热、电子加速和辐射等物理过程可以被详细的研究。而对于几个壳状超新星遗迹的多波段的观测分析表明，粒子加速和磁场放大这两个物理过程共同决定了年轻超新星遗迹的观测特征。这些研究同时表明，高能天体源区的环境和结构特征也对粒子的加速和辐射过程有重要影响，很多高能辐射在观测上表现出的复杂性和有关的物理环境密切相关。为了详细研究有关粒子加速的微观物理过程，我们有必要详细分析那些结构简单环境均匀的高能源。针对具体高能天体源的详细建模，我们有必要把粒子加速过程的研究和有关的空间结构和时间演化相结合以得到更自洽的物理图像。另外我们首次把超新星遗迹的伽玛射线观测和宇宙射线的超新星遗迹起源理论联系起来，结合超新星遗迹的多波段观测，我们有望在不远的将来在宇宙射线起源问题上取得显著进展。