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泵波揭秘三波作用相干辐射

Yaochen博客 | 2021-05-04

等离子体辐射的理论框架早在1958年便由Ginzburg等人提出。该最初框架指出:等离子体辐射是一多步过程,先激发等离子体振荡频率处的静电波—Langmuir波,该波与离子相应扰动或结构作用产生同频电磁辐射等。历经60余年磨砺,该理论“羽翼渐趋丰满”,然而最初的框架依旧坚挺,可见其顽强的生命力和构造者的智慧。

这是一个占有绝对统治地位的理论。随便翻阅相关文献,均可阅到这样一番解读:先由束流电子激发Langmuir静电波或湍动,再与离子声波并合产生等离子体基频辐射,云云,很难找到基于其他版本的等离子体辐射机制的描述。

对该“权威”机制,可有什么“质疑”的空间吗?大概相关的可有两点:

第一点:辐射的传播与逃离问题。与电子扰动所决定的等离子体静电振荡频率相比,离子扰动对应频率由于离子之笨重而大可忽略,故并合所产生的基频辐射频率就是等离子体静电振荡频率。这使得辐射光子的群速接近零(注意是接近零,而非光速),而且是准静电的,这些辐射光子会感受到与周围同频振荡的等离子体的折射散射反射等作用,难以有效传播,未必能轻易逃离源区。

第二点:束流电子也是一比较严苛的存在。高能电子分布很容易受到不均匀磁场结构或各种电磁扰动的影响,束流分布会很容易被修改为其它形式的分布。在一些类型爆发中,如IV-II-I-V型爆发中,从对爆发过程的物理理解上,都不一定会对应于束流电子。至少对于这些爆发,束流-等离子体辐射机制需要从驱动源---高能电子的分布方面开始修正。

事实上,早在上世纪70年代初,便有一种不同的等离子体辐射过程提出,试图使用哨声波(Whistler Wave: W)来代替离子声波。哨声波是一种常见波动,频率为几分之一电子回旋频率,远高于离子声波;从激发机制而言,不论是束流电子、热各向异性、还是约束在磁场中形成的损失锥类电子分布,均可有效激发此类波动;可有效回复上述两点质疑。据资深学者Melrose在1975年发表的文章2,由于静电Langmuir波波数很大,与波数一般不太大的哨声波及波数很小的基频辐射模式不可能满足三波作用的波矢匹配条件(注:三波作用属共振过程,要满足频率和波矢匹配条件,方能发生作用;所谓匹配条件就是两波频率或波矢之和等于第三波的频率或波矢)。他指出,在等离子体振荡频率附近,能与哨声波发生并合产生辐射的模式只有波数同样不大的Z模。与Langmuir静电波不同,Z模相速度接近或超过光速,还表现出较强的电磁性质。

然而,Melrose还指出,Z模与哨声波共振作用产生等离子体辐射的条件苛刻,不太可能有实际应用价值(“the coalescence of a Z-mode wave with a whistler can occur only under implausibly restrictive condition”、“so restrictive”、“unlikely to be important” 、“are essentially negative”)。该负面结论是通过求解三波作用的共振条件达到的。不幸的是,他使用了过于简化的模式参数条件,得到了这一现在看来并不正确的结论。

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