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    我国学者在日冕加热研究领域取得重要进展

    日期 2019-11-20   来源:数理科学部   作者:刘强 田晖  【 】   【打印】   【关闭

    图1 针状物与磁场演化之间的关系。左图为Hα谱线观测的针状物(细长的暗结构)。右图展示了针状物由相反极性磁场结构之间的相互作用所产生,蓝色和红色代表视向磁场分量的不同极性

     

    图2 针状物被加热到日冕温度。图中黑色部分为Hα谱线观测的针状物,黄色部分为AIA 171 Å波段观测的日冕辐射。图中展示的两个例子均显示针状物上端出现增强的日冕辐射

      在国家自然科学基金项目(批准号:11825301,11790304,11729301, U1931107, 11850410435, 41574166)的资助下,由北京大学田晖教授领衔的国际合作团队,利用大熊湖天文台1.6米口径太阳望远镜和空间太阳观测卫星提供的数据,在日冕加热研究领域取得重要进展,揭示了太阳针状物的产生机制和加热过程。相关研究成果以“Generation of Solar Spicules and Subsequent Atmospheric Heating”(太阳针状物的产生和加热)为题,于2019年11月15日发表在Science(《科学》)杂志上。论文链接:https://science.sciencemag.org/content/366/6467/890。

      太阳向外辐射的能量来自内部核心区域的核聚变反应,从核心区往外到太阳表面(光球层),温度从约1500万度下降到5700度。然而从光球往外,温度却反常升高,到最外层的大气(日冕)甚至达到百万度的量级。如此高温的日冕是如何产生和维持的?这就是日冕加热的问题,它于2012年被Science杂志选为当代天文学的八大未解之谜之一。

      田晖及其合作者长期从事日冕加热的相关研究工作,他们发现太阳低层大气里小尺度的普遍性喷流可能是理解日冕加热过程的关键。这些普遍性喷流中,最典型的当属位于太阳表面和日冕之间的所谓针状物(Spicules)。这些针状物的宽度通常只有200千米左右(太阳半径约70万千米),它们间歇性地从太阳表面往外喷射到日冕中,就像喷泉一样。为理解针状物的产生过程,一些太阳物理学者提出了众多包含不同物理过程的理论模型。但过去由于受到望远镜分辨率和灵敏度的限制,人们一直没有观测到针状物的详细产生过程,因而也就无法判断哪个模型是正确的。所以,对于针状物的产生机制,目前太阳物理界仍莫衷一是。

      大熊湖天文台新一代古迪太阳望远镜 (GST)口径为1.6米,是目前世界上正在运营的最大口径的太阳望远镜,其得天独厚的观测台址和强大的观测仪器设备,为攻克该项极具挑战的研究课题提供了可能。田晖教授和博士后Tanmoy Samanta与大熊湖天文台台长曹文达教授等人通力合作,利用GST对针状物的产生和加热过程进行了成功的观测。在详细分析数据后,他们发现不同极性磁场结构之间的相互作用与针状物的产生紧密相关。这些针状物通常产生于太阳上一种对流单元边界处的强磁场区域(称为网络组织)附近(图1)。当网络组织附近出现相反极性的小尺度弱磁场结构时,通常会产生针状物。一些相反极性的磁场结构在与网络磁场靠近的过程中逐渐变小并最终消失,在此过程中观测到伴随的针状物活动。

      这些观测结果为磁重联驱动针状物的观点提供了强有力的支持。磁重联是等离子体中磁场拓扑结构发生改变,导致磁场的能量释放出来加热和加速物质的一种物理过程。太阳上普遍存在小尺度的磁流浮现(即磁场结构从太阳内部上浮到太阳大气中)过程。当这些新浮现出来的小尺度磁场结构靠近强磁场的网络组织,并且二者接触面上磁场极性相反时,磁重联便可能发生。磁重联将位于低层大气的物质加速往外抛出,形成针状物。这与当前最流行的两种针状物产生机制(磁流体激波、中性与电离成分之间的相互作用)截然不同,引起了国内外太阳物理界的广泛关注,基于这一观测结果多个国际研究团组已着手开展相关理论研究工作。

      太阳动力学天文台卫星(SDO)上搭载的大气成像望远镜(AIA)也对GST的观测区域进行了观测。该望远镜可对日冕的极紫外辐射进行高灵敏度的观测。其数据显示,针状物上端出现了增强的171 Å辐射(主要来自Fe8+离子,产生于一百万度左右的环境中),表明针状物在传播过程中被加热到了百万度的量级(图2)。这一结果说明,针状物被加热到日冕温度是一种普遍现象,从而表明,研究日冕加热必须要考虑针状物的贡献。

      这一研究成果重新梳理了日冕加热的研究思路。过去,大家通常仅仅在日冕观测中寻找加热的蛛丝马迹,相关理论研究也大多探讨日冕中的物理过程。而这一成果表明,日冕加热与太阳低层大气中的磁活动密切相关,要揭开日冕加热的神秘面纱,必须要关注能量和物质从低层大气往外传输的过程,亦即需要着眼于太阳各层大气之间的耦合。




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