成像光谱学揭示日冕中类尖峰重复射电爆发对

《Nature Communications》：Imaging spectroscopy reveals spike-like repeating radio burst pairs in the solar corona

　　

太阳射电爆发呈现出复杂的精细结构，揭示了复杂的日冕等离子体动力学。本研究报道了类尖峰重复爆发对（spike-like repeating burst pairs）的探测，其特征为两个短寿命（0.1–2 s）、窄频带成分，在30–50 MHz频率范围内相隔约4 s。研究人员利用高分辨率动态频谱和光谱成像技术，分析了613个爆发对，测量了它们的持续时间、带宽、漂移率、流量密度和空间特征。成像将源区与一个活动区相关联，早期成分在该区域上方空间集中，而延迟成分则发生位移并表现出降低的漂移率。射电波传播模拟支持延迟爆发为各向异性日冕等离子体中谐波辐射的湍流回波。爆发源位于日冕高处的位置表明，在远高于典型耀斑高度处存在持续的磁重联和电子加速。这些发现为日冕湍流效应提供了新见解，同时推进了日冕等离子体诊断以及地基发射器太阳射电回波这一难解之谜的研究。

太阳大气是一种湍流且磁化的环境，磁能释放 readily 表现为全电磁谱段的辐射。太阳射电辐射 dominates 射电天空，最亮的太阳射电爆发通过等离子体辐射机制（plasma emission process）产生。该辐射发生在局部等离子体频率（plasma frequency，f_pe）及其谐波（2f_pe）附近。向外传播的非热电子在日冕中运动时产生等离子体辐射，其频率f_pe ∝ √n_e随环境电子密度n_e降低而减小，因此太阳射电爆发通常在动态频谱中呈现从高到低的频率漂移，为爆发路径上变化的等离子体环境提供了直接诊断。在各类宽带爆发类型中，次秒级结构可能嵌布于这些爆发之中，或以孤立特征形式出现在时间和频率上。

射电流量在III型爆发（type III bursts）包络上的变化形成所谓的IIIb型辐射（type IIIb emission），其中单个精细结构称为条纹（striae）。条纹的特征为持续时间小于1 s、单个带宽为数十kHz量级、在十米波频率上的漂移率从零到数百kHz/s。当这些精细结构与任何宽带爆发分离时，它们表现为窄带、短寿命的流量增加，即尖峰（spikes）。这些尖峰通常在动态频谱中伪随机分布，并与耀斑中的碎裂能量释放相关。分米频率及以上的尖峰射电爆发与微波激射辐射（maser emission）或等离子体辐射相关，具有毫秒量级持续时间和高达数百MHz/s的快速漂移率。相比之下，十米波尖峰具有更长的持续时间（可达约1 s）、更低的漂移率（从零到数十kHz/s）以及与条纹相似的带宽。低频尖峰与单个条纹之间的相似性表明等离子体辐射存在共同的形成机制，其主要驱动因素为比产生IIIb型爆发的电子束更弱的电子束。

另一种观测现象是两条平行漂移的窄带条纹（漂移对爆发，drift-pair bursts），它们在时间上相隔约2 s，漂移率约为1–8 MHz/s。重复爆发被视为通过日冕低处基频辐射的射电波反射形成的湍流回波。

射电波在湍流中传播时会经历散射效应。这些传播效应对于基频或谐波处的射电辐射尤为重要，因为折射率n_ref = (1 - f_pe2/f2)1/2远小于1，其中f为射电辐射频率。观测上，射电爆发表现出显著的散射效应，包括时间展宽、尺度展宽、延迟到达时间以及与源位置的空间位移。密度涨落被认为是沿磁场方向排列的（field-aligned），使得散射过程呈各向异性。各向异性程度α = q_∥/q_⊥（其中q为沿磁场方向轴对齐的密度涨落波数）通常在0.25到0.4之间，α = 1为各向同性，该参数值已被证明能同时解释射电爆发辐射的所有可观测特征。射电与原位测量的比较表明，负责射电波散射的离子尺度湍流与动力学阿尔芬波（kinetic Alfvén waves）或动力学阿尔芬波结构一致。各向异性散射导致射电辐射沿磁场方向聚焦通道化，可产生表观源沿磁场方向漂移的定向辐射，并可在漂移对爆发中产生前述射电回波。更强的各向异性（α ? 0.2）导致更短的爆发持续时间，使得回波可形成孤立结构或在各向异性较弱时出现在主成分的尾部。

值得注意的是，太阳对地球雷达信号的反射是50多年积极研究后仍未解决的难题。与行星反射不同，太阳对雷达实验构成挑战；50 MHz处的回波比预期弱得多。

本研究报道了利用低频阵列（LOFAR）观测到的一种短射电爆发类型——类尖峰重复爆发对，它们可以孤立形式或链状形式出现，每个精细结构在同一频率上重复出现，延迟约4 s。这些重复爆发对具有低漂移率和数十kHz的窄谱宽特征。重复成分通常更弱、具有降低的漂移率且空间分离。基于时间、频谱和空间特征的统计结果，研究人员提出了一种在各向异性散射/反射框架下的形成机制。这种自然发生回波（散射谐波辐射）的观测为无线电信号如何以及在哪里被反射提供了见解，表明各向异性散射削弱了雷达信号，可能为射电波散射实验开辟新途径。

研究人员利用LOFAR的低频天线在外阵配置下进行了观测，基线长约3.6 km，覆盖30–80 MHz频率范围，探测中层日冕。LOFAR波束形成数据的时间分辨率和频谱分辨率分别为10 ms和12.2 kHz，波束形成图像由217个干涉测量合成波束构建。波束指向以太阳为中心，延伸至3 R_⊙。流量校准使用Tau A观测数据，精度约1 sfu（1 sfu = 10^-22 W m^-2 Hz^-1）。2017年7月9日，研究人员在活动区天空平面坐标（-383″, -156″）附近，与太阳动力学天文台（SDO）上大气成像组件（AIA）的极紫外（EUV）波段中观测到的众多微喷流（mini jets）共空间地探测到一种射电爆发。

动态频谱显示了大量宽带发射（如III型和IIIb型爆发）以及许多短时标窄带精细结构。核心发现是类尖峰重复精细结构，表现为孤立爆发或同时出现在不同频率的链状结构。许多重复爆发形成显著链状，每个重复尖峰在前一个相同频率上出现，产生相隔约4 s的两条平行列。链中初始爆发持续时间更短、强度更高，而后续爆发持续时间更长、强度更低。研究人员还发现了大量出现在较短链中或孤立出现的重复对。据此定义重复爆发对为两个具有不同寿命和强度、出现在同一频率且相隔约4 s的独立脉冲。每对中，第一个脉冲称为早期成分（E），后续脉冲称为延迟成分（D）。

研究人员对613个爆发对进行了系统分析。特征测量显示，E成分持续时间为0.14–1.10 s，多数集中在0.25–0.43 s，中值为0.31 s；D成分持续时间为0.33–1.82 s，多数在0.82–1.2 s，中值为1.0 s。时间间隔Δt_s分布呈现两个峰值：较弱峰值在3.5 s附近，较强峰值在4.2 s附近。E与D持续时间比Δt_E/Δt_D在0.22–0.38之间，峰值约0.3。

频谱特征方面，E和D成分的带宽分布相似，E成分频谱全宽半高值（FWHM）中值约70 kHz，D成分约80 kHz。每对中心频率差中值约8 kHz，考虑到12.2 kHz的LOFAR频谱分辨率，表明E和D爆发在大多数情况下频率一致。

峰值流量方面，E成分峰值流量范围达~45 sfu，多数集中在3–6 sfu；D成分峰值流量达~8 sfu，中值约3 sfu。峰值流量比I_0D/I_0E范围为0.1–3.4，下四分位数和上四分位数分别为0.3和0.8，峰值约0.3，中值约0.5。

频率漂移率方面，E成分漂移率主要在-357至246 kHz/s范围内，峰值约-50 kHz/s，中值-30 kHz/s；D成分分布显著较窄，约-48至18 kHz/s，多数集中在-13至-3 kHz/s，中值-7 kHz/s，约为E成分的1/7。绝大多数爆发呈现负频率漂移。

空间特征方面，成像分析基于309个低于48 MHz的爆发对。E成分质心优先位于活动区负极性磁场附近，而D成分分布更分散、距离更远。每对中E和D源质心位移在天球平面上从几十角秒到约400″不等。结合点的方向大致可分为两组：近似东西方向和西北-东南方向，均大致平行于磁场线方向。基于频率与高度反比关系，爆发占据延伸的空间体积，所有爆发似乎起源于负极性区域上方的锥形磁结构，西侧为闭合场线，东侧为开放场线。

研究人员还进行了射电波传播模拟。使用前期工作中描述的模拟代码，对40 MHz基频（1.7 R_⊙）和谐波（2.0 R_⊙）点源在距日心-15°处注入进行了模拟。在强各向异性因子α = 0.1情况下，基频发射的E和D成分时间间隔为1 s，且两个成分的质心共空间，与观测到的4 s延迟和成像结果不一致。然而，对于谐波发射，时间间隔延长至约4 s，且质心在各成分之间发生位移，与观测一致。考虑α在0.1–0.3之间的谐波发射，对时间间隔的影响较弱（3.5–3.2 s），且较弱各向异性时质心位移更小。因此，研究人员认为产生比漂移对爆发大4倍时间间隔和各成分之间偏移质心的机制，可由重复尖峰对为强各向异性谐波发射来解释。

研究结果显示，重复爆发对与活动区AR12665相关，该区域在观测期间保持高度活动，表现出更强的核心爆发以及持续的弱微喷流和出流。尽管AIA的时间分辨率（12 s）和空间分辨率（0.6″）限制了与次秒级爆发的直接关联，但前期工作中关于龙卷风状日珥产生的单团和簇状微喷流的研究提供了有力类比，表明多地点、小尺度磁重联发生在高日冕高度。据此推断，类似的小尺度重联事件可能触发重复爆发，加速非热电子并驱动等离子体辐射。

在讨论部分，研究人员指出重复对的单个成分在时间持续、频率带宽和像大小方面与太阳射电尖峰相似，可能共享类似的产生机制。尖峰被认为是空间尺度更小、密度更低的非热电子束的结果，使得Langmuir波增长和射电辐射在湍流介质中的窄频率范围内发生。由于每对中的每个成分出现在相同频率，可能的解释是爆发来自相同的发射源。将这种机制应用于初始辐射释放后，需要次级过程产生D成分。

D成分的存在与漂移对爆发有相似之处，但在特征上存在区别：漂移率低1–2个数量级，导致总带宽小一个数量级，且每对爆发之间的时问隔加倍。与E成分相比，D成分更弱、更弥散、衰减时间更长、漂移率更低，这些都是辐射经历散射的迹象。

研究人员提出的可能机制如下：非热电子通过小尺度磁场重联产生，导致Langmuir波生成，随后在谐波频率（2f_pe2）产生射电源。沿红色曲线向外传播的射电辐射产生直接散射像。最初向下定向的射电辐射在f_pe1层（f_pe1 = 2f_pe2）上方反向反射，随后沿蓝色曲线向外传播，产生延迟散射像。传播路径的差异产生约4 s的延迟，这对应于R_⊙/4–R_⊙/3的密度标高，更大的标高产生更短的延迟。各向异性散射引导射电波主要沿磁场方向传播，而在强散射区域中增加的时间使得延迟源比早期源更加延展。

模拟表明，强各向异性（各向异性参数α ? [0.1–0.2]）可产生高度定向辐射，导致在等离子体频率表面反射形成湍流射电回波。较小的各向异性参数值对应散射射电波的更强方向性。

研究还指出，在某些重复对中，E成分振幅弱于D成分。这种对比可能源于电磁波传播方向相对于地球的差异：错位的传播矢量会降低观测流量。此外，任一成分显著偏离源-观测者轴会使重复对无法探测，仅留下孤立尖峰或条纹。观测中确实发现了大量单个尖峰和尖峰链，与此情景一致。射电波模拟显示，辐射优先沿磁场方向逃逸。据此推断，重复对比尖峰爆发需要更严格的磁条件才能被探测。

本工作呈现了LOFAR揭示的类尖峰重复对的首次观测。在2小时时段内，活动区AR12665上方探测到一千多个此类对，表明这些现象既丰富又曾被忽视。每对由两个短寿命窄带爆发组成，出现在同一频率：E成分随后约4 s出现D成分。统计分析显示两个成分之间存在明确的系统性差异。延迟爆发通常更弱、持续时间更长、频率漂移率显著降低，同时保持与早期爆发几乎相同的光谱带宽和中心频率。成像揭示E成分起源于活动区核心附近，而D成分向外位移并在日冕中分布更广。

这些时间、频谱和空间特征共同指向一种解释：D成分代表早期辐射的散射回波。延迟爆发中漂移率的强降低以及更宽、更弱的出现，与沿向下和向上传播路径的附加散射一致。近期关于精细结构各向异性散射的理论工作支持这种漂移率降低和路径依赖展宽。在此情景中，爆发源于距太阳表面约一个太阳半径高度的谐波发射，显著高于典型耀斑位置，意味着电子加速和磁重联发生在出乎意料的高日冕高度。重要的是，模拟还显示基频与观测到的时间延迟和空间位移不一致，明确证明发射是谐波——鉴于太阳射电爆发观测常常难以确定等离子体辐射是在基频还是谐波，这是一个重要发现。

发射的强方向性进一步表明，沿磁场方向排列的各向异性日冕湍流将散射信号导向优选方向。模拟为前期工作中提出的密度涨落各向异性0.1–0.2提供了强有力支持，其反射时间延迟给出了密度标高的测量。这对长期存在的太阳雷达回波问题具有重要意义：引导自然回波偏离大多数观测几何的同一各向异性散射，同样可能抑制雷达反射。

研究结论部分指出，这些观测提供了新证据，表明小尺度重联和电子能量化在高日冕中运作，且各向异性散射在塑造精细结构射电爆发外观中起关键作用。重复对的发现为日冕等离子体湍流、磁场几何和粒子加速开辟了新窗口，并为未来太阳射电研究提供了有前景的诊断工具。本论文发表在《Nature Communications》。