中国科大揭示日冕物质抛射初发过程的物理机制 2019-03-07

我校日地物理研究团队在太阳爆发活动的研究中取得重要进展,揭示了日冕物质抛射 (Coronal Mass Ejection;简称CME) 初发过程的物理机制,相关成果以“The Birth of A Coronal Mass Ejection为题于36日在线发表于Science旗下子刊《Science Advances》。

CME 与太阳耀斑紧密联系,是太阳系尺度最大、最剧烈的爆发现象之一。CME携带巨量的物质和能量,通常在爆发1-3天后到达地球,引起地球空间环境的强烈扰动,对通讯、导航、航天器等高技术系统可能造成灾害性影响。自上世纪70年代初被美国OSO-7飞船上的首个空间日冕仪发现后,CME的物理机制一直是太阳物理和日地空间物理研究的核心问题。标准模型认为,连接CME和耀斑环的大尺度电流片提供了两者的耦合机制:发生在电流片的磁重联为CME注入磁通量,同时加热等离子体和加速高能粒子。另一方面,近地飞船的局地探测表明行星际CME内部普遍存在具有螺旋形磁场的磁绳。但磁绳在爆发前是否存在?磁绳是怎样形成的?其内部结构如何?研究团队的一系列工作进展为解答这些基本科学问题提供了重要的线索。

研究团队在前期工作中(Liu et al., 2016, ApJ, 818, 148)得到磁绳的客观判据:即由磁场准分界层包裹的、磁场缠绕增强的三维区域。该论文的SCI被引次数在全球天文和天体物理学领域处于前1%,获得IOP Publishing颁发的“2018高被引作者奖”。研究团队在另一前期工作中(Wang, Liu*, et al. 2017, Nature Communications, 8, 1330),观测到CME磁绳的两个共轭“足点”在日面上的形成过程。即从两条耀斑带远端的亮点向外扩展为不规则的亮带,而亮带内部由于等离子体沿磁绳磁力线逃逸到行星际空间在极紫外波段出现“暗化”。这一过程表明该磁绳主要在爆发过程中形成并发展。足点边界的亮带证实磁绳边界确为准分界层,是一个电流汇集和耗散的区域。通过测量磁绳的轴向和环向磁通量随时间的演化,研究团队推出磁绳内部磁场高度扭缠(10π以上),由内向外扭缠度降低。这一分布与磁绳到达地球时根据近地飞船的局地探测重建的结果一致。但这一工作遗留了一个重要问题:CME的前身结构是怎样的?

在最新的工作中,研究团队利用太阳边缘的观测资料,相当于从一个横截面观测到CME形成和演化的完整过程。最初剪切磁拱下的一个高温电流片结构被撕裂为多个等离子体团,逐渐合并为电流片顶端的较大的等离子团,我们称之为CME的“种子”。“种子”在经历缓慢上升后突然快速上升和快速膨胀,爆发为气泡状的CME,并形成高温的边界层;爆发过程同时产生大量高能电子,在耀斑区域产生大量脉冲式的硬X射线辐射,是电流片撕裂为多尺度的“分形”结构,导致磁重联率在时空上快速变化的证据。而与电流片的撕裂相反的过程——等离子体团的合并在CME的前身结构——种子磁绳的形成中起到关键作用。种子磁绳(尺度~106米)承上启下,成为跨越多个尺度连接电流片中的“微观”磁绳(~102米)和宏观CME磁绳(在太阳附近~109米)的桥梁。

该研究工作得到了国家自然科学基金委的中德合作项目和面上项目等的资助。中国科大苟廷玉博士为论文的第一作者,中国科大刘睿教授与德国波茨坦大学Bernhard Kliem博士为共同通讯作者。部分工作是苟廷玉读博期间在国家留学基金资助下访问奥地利格拉茨大学时完成的。

论文链接:http://advances.sciencemag.org/content/5/3/eaau7004

外媒报道链接:

https://www.sciencenews.org/article/coronal-mass-ejection-magnetic-sun-plasma-eruption


https://phys.org/news/2019-03-emergence-coronal-mass-ejection-mini.html


https://www.longroom.com/discussion/1399472/researchers-describe-the-emergence-of-a-coronal-mass-ejection-from-mini-flux-tubes


https://www.sott.net/article/408644-New-insights-into-coronal-mass-ejections


https://science.apa.at/rubrik/natur_und_technik/Sonnenforscher_beobachten_Geburt_von_solarem_Massenauswurf/SCI_20190306_SCI39391351447274022


https://www.kleinezeitung.at/steiermark/5590987/AstrophysikErfolg_Grazer-Sonnenforscher-beobachten-Geburt-von?from=rss


(地空学院、科研部)


     
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