日球层外磁鞘中拾起离子的稳定性对解释星际边界探测器（IBEX）观测到的能量中性原子（ENA）缎带至关重要。之前关于拾起离子稳定性的研究多使用简单理想的拾起离子速度分布并仅关注平行传播的波模。南方科技大学刘凯军教授团队基于全局日球层ENA模型给出的接近真实的多组分拾起离子速度分布函数，通过线性动力学不稳定性分析和混合模拟研究斜向传播的镜像模对拾起离子稳定性的影响。研究发现，斜传播的镜像模不稳定性可以和前期研究关注的（准）平行传播的离子回旋波不稳定性一起增长，激发产生的两种波模对拾起离子的散射比以前单考虑离子回旋波要更强。更重要的是，二维混合模拟结果显示镜像模通过散射拾起离子，还能以准线性的方式导致更多的离子回旋波的激发，从而有效增强拾起离子的散射。研究结果显示了镜像模在日球层外磁鞘拾起离子稳定性研究中不可忽略的重要作用。
2008年发射的星际边界探测器Interstellar Boundary Explorer (IBEX）通过探测源自日球层边界的能量中性原子（ENA）来探索日球层和外围星际介质的相互作用。
图1. 星际边界探测器Interstellar Boundary Explorer (IBEX）观测到的ENA缎带
IBEX的一个最重要发现是全天ENA通量图中的一个条带状结构，被称为ENA缎带。理论研究和模拟结果显示这些ENA（0.3-6 keV）来自日球层边界处星际磁场与IBEX视线垂直的区域。
二级能量中性原子机制是目前主流的ENA缎带产生机制：星际介质中的中性成分可以无阻碍地进入日球层，太阳风离子与这些中性原子发生电荷交换会产生中性太阳风原子；中性太阳风原子穿过终止激波和日球层顶到达日球层外磁鞘，与星际介质中的离子成分发生二次电荷交换，变成离子被星际磁场拾起；日球层外磁鞘中的拾起离子与星际介质中的中性原子成分发生第三次电荷交换，最终产生二级能量中性原子；在ENA缎带方向上，某些二级能量中性原子的速度朝向地球方向，成为被IBEX所观测到的ENA缎带。
二级能量中性原子机制可以很好解释IBEX观测，但是其成立与否依赖于日球层外磁鞘中拾起离子速度分布的稳定性。在ENA缎带方向上，由于星际磁场与中性太阳风原子的速度方向垂直，日球层外磁鞘中的拾起离子形成环速度分布。环速度分布是一种非稳态分布，所激发的波动可以散射离子而改变拾起离子的速度分布。早先的研究表明离子散射发生的时间尺度（几天）远小于第三次电荷交换的平均时间尺度（2年）。针对这一挑战，有一些研究者基于对平行传播的离子回旋波的研究提出拾起离子速度分布可能处于一个对离子回旋波稳定的狭小参数空间，从而支持二级能量中性原子机制；而另一些研究者于近期提出了基于强散射的拾起离子空间滞留机制来解释ENA缎带的形成。
南方科技大学刘凯军教授团队基于更真实的拾起离子速度分布探究了斜传播镜像模不稳定性的贡献。研究发现拾起离子会同时激发斜传播的镜像模和（准）平行传播的离子回旋波，两种波模对拾起离子的共同散射比以前研究中仅考虑（准）平行传播的离子回旋波的散射要更强。更重要的是，二维混合模拟结果显示镜像模通过散射拾起离子，还能以准线性的方式导致更多的离子回旋波的激发，从而有效增强拾起离子的散射。
研究结果显示了镜像模在日球层外磁鞘拾起离子稳定性研究中不可忽略的重要作用，从侧面说明拾起离子即使如前期某些研究建议的那样处于对离子回旋波稳定的狭小参数空间，镜像模仍然可以增长而最终导致离子回旋波的激发。所以拾起离子的快速散射仍然不支持传统的二级能量中性原子机制，而基于强散射的拾起离子空间滞留机制来解释ENA缎带是一个可能的途径。
图2. 日球层外磁鞘中拾起离子不同组分速度分布函数在磁镜模和离子回旋波共同散射作用下的演化
上述成果发表于国际权威学术期刊 The Astrophysical Journal，论文的第一作者是南方科技大学博士后Ameneh Mousavi，通讯作者为南方科技大学地球与空间科学系刘凯军教授。
该成果获得了中国科学院B类战略先导专项(grant No. XDB 41000000)、国家自然科学基金（grant No. 41974168）、深圳科技项目 (grant No. JCYJ20190809153407516) 的支持。
论文信息：
Ameneh Mousavi et al 2020 ApJ 901 167
作者：叶生毅 刘凯军
编辑：黄惠婧