太阳风电荷交换（Solar Wind Charge Exchange，简称SWCX）是指太阳风中高价态的离子（C、N、O等）和中性成分（地球空间中主要是中性H）发生碰撞，获得一个电子进入激发态，随后在回到基态的过程中释放出软X射线波段的光子。地球磁层的SWCX软X射线辐射主要发生在日侧的磁鞘和极尖区，因此利用软X射线观测技术，可以对磁层X射线辐射特性及太阳风-磁层耦合特性进行深入认知。
日冕物质抛射（Coronal Mass Ejection, 简称CME）是太阳系内规模最大，程度最剧烈的能量释放活动。CME从太阳释放到行星际空间即为行星际日冕物质抛射（Interplanetary Coronal Mass Ejection，简称ICME）。ICME传播到近地空间，将会引起地磁暴、极光等现象，可以对空间探测、卫星运行、通讯、电力设施和输油管道等产生显著影响。
在ICME的作用下，地球磁层SWCX软X射线辐射也会产生响应。但是在ICME本体作用下磁层X射线辐射是增强还是减弱，此前并不确定。因为，一方面，ICME中重离子的价态通常较高、离子种类更丰富，SWCX辐射强度倾向于增强；但另一方面，由于ICME的膨胀，其内部的等离子体数密度一般较周围太阳风低，SWCX软X射线辐射趋于减弱。而ICME的地球物理效应一般发生于ICME本体作用于磁层的时期（非ICME驱动的鞘区），因此衡量SWCX软X射线辐射强度及谱线的响应特征，对于太阳风-磁层耦合的X射线成像探测具有重要意义。
近日，实验室王赤院士课题组的孙天然研究员和博士生张颖洁等人，与英国莱斯特大学、中科院紫金山天文台、国家天文台等单位合作，利用XMM-Newton天文X射线卫星对ICME期间的磁层SWCX软X射线辐射进行了研究。该事件发生在2011年2月18日，地球磁层先是受到ICME驱动的鞘区（CME压缩周围太阳风形成，具有高等离子体密度特点）影响，随后又受到ICME本体（具有低等离子体密度的特点）的影响。
图1 ICME驱动的鞘区(上)和ICME(下)连续到达地球期间，磁层软X射线辐射示意图。
结果表明，虽然ICME中的太阳风质子通量下降到较低水平，但是SWCX软X射线辐射却增强了。这是因为ICME中的离子具有更高的电离状态，有效增强了来自重离子(如Ne、Mg和Al)的线发射强度。因此，尽管质子通量低，ICME中较高的高价态离子丰度有利于磁层软X射线观测。ICME作用下的地球磁鞘辐射出了更加丰富的谱线。此外，XMM-Newton卫星观测得到的SWCX离子发射线强度与ACE原位测得的离子丰度的变化具有较好的一致性，这证明SWCX辐射光谱诊断可以用于远程分析太阳风中高价态离子的分布。
图2 ACE原位测得的太阳风离子丰度（左），根据ACE观测计算得到的SWCX效率因子（中），XMM-Newton观测得到的SWCX离子发射线强度（右）
相关成果发表在国际知名期刊The Astrophysical Journal Letters（APJL）上。该研究得到了基金委重点项目、中国科学院前沿科学重点研究计划、空间科学战略先导计划、中国科学院研究基金和国家重点实验室专项研究基金、青促会优秀会员资助计划等的支持。
Citation：Yingjie Zhang; Tianran Sun; Chi Wang; Li Ji; Jennifer. A. Carter; Steve Sembay; Dimitra Koutroumpa; Ying D. Liu; Guiyun Liang; Wenhao Liu; Wei Sun; and Xiaowei Zhao. Solar Wind Charge Exchange Soft X-Ray Emissions in the Magnetosphere during an Interplanetary Coronal Mass Ejection Compared to Its Driven Sheath. The Astrophysical Journal Letters, 2022, 932, L1 (8pp).
https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac7521