2026年4月22日，《Nature Communications》期刊在线发表了北京航空航天大学空间与地球科学学院曹晋滨院士团队的刘杨洋、刘成明等人与来自美国和瑞典的科研人员，在空间等离子体物理与宇宙线起源研究领域取得的突破性进展：《Efficient acceleration of energetic electrons upstream of Earth's bow shock》。该工作揭示证实了一种全新的激波电子加速机制，可将低能的太阳风电子有效加速至超热能段，为理解宇宙线起源、解决扩散激波加速理论中长期存在的电子注入难题，提供了关键的观测证据与理论支撑。北京航空航天大学空间与地球科学学院刘杨洋副教授为第一作者，曹晋滨院士、刘杨洋副教授、刘成明研究员为通讯作者。北京航空航天大学空间与地球科学学院为唯一通讯和第一单位。
宇宙线是太空中存在的、人类迄今观测到的最高能的粒子，并或许也是人类唯一能够接触到的系外物质样本。宇宙线的起源是现代物理学最核心的前沿课题之一。目前主流认为，宇宙线主要源自超新星爆发产生的超新星遗迹激波（Supernova Remnant Shock），经由扩散激波加速（Diffusive Shock Acceleration）过程产生。但长久以来，该理论的一个关键瓶颈远未得到解决：DSA过程只能对初始能量足够高（一般认为要达到准相对论能量）的种子粒子发挥作用，而这些种子粒子从何而来却不得而知。这就是困扰学界多年的激波粒子注入难题，也成为完整理解宇宙线起源的关键障碍。
图1. 卫星在激波前观测到的与太阳风间断面伴随发生的电子加速现象
空间与地球科学学院曹晋滨教授领导的空间科学团队长期从事空间磁场探测和等离子体加速理论的研究，具有扎实的理论基础和丰富的卫星观测分析经验，取得了多项具有国际影响力的重要成果。团队成员刘杨洋副教授等人在对激波电子加速过程的长期研究后，意识到激波前磁场拓扑是影响激波粒子加速过程的关键因素之一，在对国际磁层多尺度卫星 MMS（Magnetospheric Multiscale Mission）的海量高精度观测数据分析后，于地球弓激波上游发现了一种新的、由太阳风间断面与激波相互作用驱动的激波电子加速过程（图1）。
图2. 电子加速机制的示意图
为弄清这种电子加速现象的机制，团队基于卫星观测还原了事件发生时的激波-太阳风间断面-磁场的三维空间关系，进而发现，当太阳风携带的旋转间断面（Rotational Discontinuity）抵近并与弓激波交汇时，由于间断面的存在，激波上游磁场呈现一种特殊的V形拓扑（图2）。这种特殊磁场能够将被激波反射的电子引导回激波面，使电子经历多次激波反射，并在反射过程中被对流电场加速到极高的能量。
图3. 测试粒子模拟。左图绿色曲线为测试粒子的轨迹，右侧展示了其速度演化
为彻底证实并量化这种加速机制，团队进一步开展了测试粒子模拟（图3）和Liouville拟合分析。两者均从定量的程度上，对这种新的电子加速机制进行了最终证实，表明当太阳风间断面与地球弓激波（或其它行星际激波）相互作用时，只要激波前磁场满足这种特定关系，该电子加速机制就能发挥作用。考虑到间断面结构在宇宙中广泛存在，这一成果有望为解决激波电子注入难题提供一个普遍性的方案，对理解宇宙空间高能电子产生具有重大意义。
论文的北航合作者包括空间与地球科学学院硕士生宋雨田同学（第二作者），吕浩宇教授和李仕邦博士后。该工作也得到了国外合作者的大力支持，包括美国加州大学洛杉矶分校 Christopher Russell 教授、迪纳利科学研究院Craig Pollock研究员、瑞典皇家理工学院 Per-Arne Lindqvist 研究员、美国西南研究院James Burch研究员。该项工作得到了国家自然科学基金委面上项目、青年基金B和C、人才专项、重点专项，以及中国科协青年人才托举工程的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-72197-y
附：作者简介
第一作者
刘杨洋 副教授
北京航空航天大学空间与地球科学学院副教授。于2017（本科）和2022（博士）年毕业于北京航空航天大学。长期从事空间物理相关研究工作，在空间复杂磁场反演和非线性等离子体结构动力学方面取得了一系列创新成果。在Nature、Nature Communications、GRL、APJ等国际期刊上发表SCI论文50余篇，包括第一/通讯论文15篇。担任《空间科学学报》青年编委，入选中国科协青年人才托举工程，获中国地球物理学会杰出博士论文奖、全国日地空间物理研讨会青年优秀论文奖等。
通讯作者
曹晋滨 中国科学院院士
中国科学院院士，国际宇航科学院（IAA）院士，北京航空航天大学空间与地球科学学院院长，国家级领军人才，国家自然科学基金委创新群体负责人，空间环境监测与信息处理工信部重点实验室主任。长期从事磁层物理和空间探测技术研究，在磁层能量释放，输运和耗散，行星（彗星）大气非热逃逸，以及空间磁场波动探测方面取得了开创性成果，作为中欧合作地球空间探测双星计划科学工作委员会副主席，卫星大总体论证有效载荷方面共同负责人，为双星计划立项和顺利实施做出了重要贡献。获得欧洲空间局星簇卫星杰出贡献奖，中欧星簇和双星计划杰出贡献奖，国际宇航科学院Laurels奖。
通讯作者
刘成明 研究员
国家级人才，北京航空航天大学空间与地球科学学院研究员。长期从事空间物理和空间天气研究工作，在磁层能量和物质传输方面，取得了一系列创新成果。在Nature、Nature Communications、GRL、APJL等国际权威期刊发表SCI论文60余篇，论文总引用1700余次。入选国家级人才专项，主持基金委青B等科研项目。担任《空间科学学报》青年编委，国际SCI期刊《Universe》编委，入选中国科协青年人才托举工程，获中国地球物理学会杰出博士论文奖，全国日地空间物理研讨会青年优秀论文奖，工信部创新创业奖等。
