地空学院陈亚杰、田晖等提出日冕“篝火”的首个理论模型

【字体: 时间:2021年05月01日 来源:北京大学新闻网

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  日冕中存在大量类似“篝火”的现象。近日,北京大学地球与空间科学学院博士研究生陈亚杰、田晖教授等人通过计算机数值模拟,提出了“篝火”的第一个理论模型,认为这些“篝火”是通过一种被称为“分量磁重联”的物理过程所产生的。他们的研究还表明,这些“篝火”可能对高温日冕的形成有重要贡献。

  

欧洲空间局的太阳环绕器飞船(Solar Orbiter)去年发现了日冕中存在大量类似“篝火”的现象,这是该飞船上天后的第一个重要发现。近日,北京大学地球与空间科学学院博士研究生陈亚杰、田晖教授等人通过计算机数值模拟,提出了“篝火”的第一个理论模型,认为这些“篝火”是通过一种被称为“分量磁重联”的物理过程所产生的。他们的研究还表明,这些“篝火”可能对高温日冕的形成有重要贡献。4月27日,欧洲空间局官网、美国《科学》杂志网站、德国马普学会官网等学术媒体报道了这一研究结果。

什么是日冕加热?

太阳大气的底部温度大约为5500摄氏度,但是太阳的最外层大气日冕却维持着百万度的高温。由于太阳的能量来自内部核心区的核聚变,根据热力学第二定律,距离太阳越远,温度应该越低,但是日冕中的温度却比太阳表面的温度高了两个数量级以上。日冕中的高温是如何产生并维持的?这就是困扰太阳物理界数十年的“日冕加热”难题,也是当代天文和空间科学领域最主要的未解之谜之一。

1988年前后,美国著名太阳物理学家、日球物理之父帕克(Eugene Parker)提出了一个模型。他认为,日冕中的磁力线可能是相互交织在一起的,这样在很多地方,相邻磁力线的方向就不会完全一样,而是有一定的夹角。在这些位置,容易产生类似太阳耀斑、但空间和时间尺度都要小得多的能量释放事件,这些事件被称为纳耀斑。帕克猜测,日冕中可能遍布这种微小尺度的事件,它们释放的总能量足以加热日冕。然而迄今为止,还没有发现被太阳物理界公认的、直接的纳耀斑观测证据。

“日冕”中的“篝火”

耗资约15亿欧元的太阳环绕器飞船于去年2月成功发射,其携带的极紫外成像仪(EUI)是迄今为止分辨率最高的太阳极紫外望远镜。该望远镜很快便发现宁静日冕中有着大量的小尺度瞬时增亮现象,这些亮点看起来就像是“篝火”一样,遍布太阳表面。其空间尺度最小达到400公里左右,持续时间只有十几秒到几分钟。来自欧洲的科学团队经过细致的分析后,发现这些现象发生在太阳表面以上仅仅几千公里的高度,发生之处的气体通常能够被加热到几百万度的高温。这些在日冕中新发现的最小、最微弱的事件,可能对于我们理解日冕加热问题有重要启示。

图1 太阳环绕器飞船携带的极紫外成像仪观测到的日冕中的“篝火”(Berghmans et al. 2021, A&A)

这些“篝火”是如何点亮的?

近日,来自北京大学地球与空间科学学院的陈亚杰同学、田晖教授与德国马普学会太阳系研究所的HardiPeter教授、DamienPrzybylski博士等人合作,通过计算机模拟深入研究了这些日冕“篝火”背后的物理过程,探讨了这些“篝火”是如何点亮的。在此基础上,他们提出了第一个日冕“篝火”的理论模型。

他们对太阳大气开展了三维辐射磁流体力学数值模拟,发现模型中有很多和观测到的“篝火”性质高度一致的瞬时亮点。通过分析几个最明显的亮点周围的磁场结构的演化,他们发现大部分亮点都对应了在两组冕环之间发生的分量磁重联。磁重联是发生在电离气体(等离子体)中的一种物理过程,可以形象地理解为相反方向的磁力线相互靠近后“断开”再重新“连接”。而分量磁重联是指发生重新“连接”的两组磁力线并非具有完全相反的方向,而是之间有一个较小的角度。分量磁重联发生后,磁场中的能量被释放出来,加热了局部日冕大气,形成“篝火”。

图2 左图是模拟的日冕图像,圆圈指示了一个类似“篝火”的事件。右图背景是太阳表面的磁场,粉红色代表左图展示的“篝火”位置,不同颜色的曲线表示其附近的磁力线(Yajie Chen et al. 2021, A&A)。

他们通过计算还发现,这些“篝火”释放的能量与日冕加热所需能量相当,表明其对高温日冕的形成可能有重要贡献。这一研究结果表明,“篝火”可能是帕克模型预言的跟纳耀斑同一个类型的能量释放事件。但受限于当前望远镜的分辨率,观测到的“篝火”可能还只是那些尺度较大的少数事件。

2020年以来,国内外的新一代太阳观测设备陆续投入或即将投入观测。未来几年,人类将首次实现对太阳大气的不同层次同时进行速度场和磁场测量,这为日冕加热的研究带来了巨大机遇。目前太阳环绕器飞船还处在巡航阶段,尚未正式开始针对太阳的科学观测。我们可以期待,未来几年里,基于其更多高质量的观测数据,并结合当前最先进的计算机数值模型,我们对日冕加热这一难题的理解将得到大大提升。

相关论文已经被世界三大最主要的天文期刊之一Astronomy & Astrophysics接收,即将正式发表。该工作得到了国家自然科学基金委等的支持。

Y. Chen, D. Przybylski, H. Peter, H. Tian, F. Auchere, D. Berghmans, Astronomy & Astrophysics, 2021 (https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202140638)

预印本链接:https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2021arXiv210410940C/abstract

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