文章导读
一场发生在宇宙前沿的隐形重塑正在上演。北京大学研究团队首次捕捉到准垂直激波被离子尺度哨声波彻底重构的完整过程——卫星数据显示，新旧激波面如同时空叠影般同时存在。通过全粒子模拟，科学家发现两种哨声波在激波重构中展开激烈竞争，分别主导不同演化阶段。这项突破不仅解开了空间激波非稳态机制的核心谜题，更将为太阳系内各类无碰撞激波研究提供关键范式。
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近日，北京大学地球与空间科学学院汪珊课题组综合利用磁层多尺度（Magnetospheric Multiscale, MMS）卫星对地球弓激波的观测数据和全粒子模拟（Particle-in-cell）结果，首次明确揭示了离子尺度哨声波驱动准垂直激波重构的完整机制。该成果以“Shock Reformation Induced by Ion-Scale Whistler Waves in Quasiperpendicular Bow Shock”为题，在国际知名学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表。
无碰撞等离子体激波是空间与天体物理等离子体中的普遍现象。激波具有固有的非稳态特性，这种特性源于流体或动力学过程，并对激波动态演化、激波中能量耗散与粒子加速产生重要影响。到目前为止，激波非稳态的直接观测证明、根本驱动因素及因果机制尚未得到清晰揭示。
本研究聚焦于一种称为“激波重构”的非稳态过程。研究选取了磁层多尺度卫星在间距约等于离子惯性长度的条件下对地球弓激波的穿越事件，清晰识别出一次准垂直激波的重构过程（图1）。卫星MMS1与MMS2在穿越激波面时观测到不同的轮廓特征：二者观测到的磁感应强度分别呈现单峰与双峰结构。其中，双峰结构对应重构形成的新激波面与逐渐衰减的旧激波面，而单峰结构则表明旧激波面已完全衰减。在激波足区，卫星MMS1观测到离子尺度哨声波引起的磁场堆积，其呈现出新生激波面的典型特征。这些结果首次为“离子尺度哨声波驱动准垂直激波重构”提供了直接的观测证据，完整揭示了该过程的演化序列。
图1. 磁层多尺度卫星观测激波重构过程示意图
全粒子模拟重现了观测到的激波重构现象，并呈现了重构过程中更多关键的中期演化细节。模拟结果表明，激波面附近的哨声波表现为两种不同类型：一种是由梯度灾变不稳定性（Gradient catastrophe instability）产生的哨声波前驱（Whistler precursor），另一种是由修正双流不稳定性（Modified two-stream instability, MTSI）激发的哨声波，这两种类型的哨声波都可以驱动激波重构。更有趣的是，二者在激波重构过程中相互竞争，并分别在早期和后期阶段起主导作用。
此研究建立了激波的非平稳特性与等离子体波动的重要联系，更新了对激波动力学及其高度非平稳性的理解。相关结论可推广至太阳系中普遍存在的无碰撞激波，如行星弓激波和行星际激波，并为拓展至其他相关研究提供了帮助。
图2.激波面处的两种哨声波及其在激波重构中作用的示意图
本论文第一作者为徐思博博士，现为北京大学地球与空间科学学院博士后，并以第一作者身份在Physical Review Letters, Geophysical Research Letters等国际期刊发表论文9篇。第二作者为博士研究生孙家骥。汪珊研究员为论文的通讯作者。其他合作者包括瑞典空间物理研究所李京寰博士、Daniel Graham博士、Yuri Khotyaintsev博士，北京大学周煦之教授、宗秋刚教授、乐超研究员，中国科学院紫金山天文台郝宇飞博士，日本京都大学Yoshiharu Omura教授。研究工作得到了国家自然科学基金、太阳活动与空间天气全国重点实验室专项研究基金的支持。
论文信息：Xu, S. B., Sun, J. J., Wang, S., et al. (2026). Shock Reformation Induced by Ion-Scale Whistler Waves in Quasiperpendicular Bow Shock. Physical Review Letters, 136(2), 025201.
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