科学:广西天文台开掘太阳耀斑时期黑子爆发相反方向的旋转,何人是太阳活动的

他们认为耀斑期间黑子的突然逆转意味着部分磁场螺度由日冕快速回落到太阳内部,CME则是被加速抛离太阳的部分(图2),黑子、耀斑、日冕物质抛射……太阳以各种不同的方式展现着自身强大的能量

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12月13日,《自然-通讯》(Nature
Communications
)在线公布了中科院西藏天文台毕以和姜云春等人的一项钻探开掘:太阳耀斑期间黑子产生相反方向的旋转。

1 不安静的日光

什么人是太阳活动的“幕后推手”

磁场螺度是一个特点磁场的螺旋性和缠绕性的物理量,日冕磁场具备丰盛的螺度天性。钻探者们遍布以为太阳活动区的产生和前进关系着各类光球运动,这个移动把磁场螺度从阳光内部输运到太阳日冕。毕以和姜云春等人切磋了一个穿梭的顺时针转动的黑子,他们发觉此黑子在一个X1.6级太阳耀斑时期发生了长足的逆时针旋转。通过解析太阳重力学天文台SDO提供的光球矢量磁场数据,他们认为耀斑时期黑子的忽地恶化意味着部分磁场螺度由日冕急忙下落落至太阳内部,此进度表示耀斑进程中三翻五次黑子的日冕磁场经历了能够的磁场螺度凝聚。此干活为驾驭太阳耀斑的轮廓图像提供了新的体察特征。

用作当下独一三个生人能够详细商讨的恒星,太阳不唯有是人类的贰个原生态实验室,也是二个叩问任何恒星和宇宙成分的窗口。在大家的双眼里,太阳如同恒久只是个发亮的圆盘,除了不经常能观望上面的麻点——太阳黑子之外,再无另外变化。然则在望远镜内,这里却是另一番光景:这里的磁化等离子体时时随地不在运动变化,它们或喷出,或落下,或震荡,或旋转,变成黑子、暗条、针状体、磁龙卷、冕洞、冕雨、冕环等种种组织。其尺度大都远远抢先地球的分寸。

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该项专门的学问得到了国家自然科学基金青年项目、面上项目和珍视项指标补助。

光怪陆离(solar flare) 和日冕物质抛射(coronal mass
ejection,CME),是那个移动中最生硬的景色。就算它们可独自发生,但非常多的钻研注明,两个往往是一模二样爆发事件的七个方面,其所独具的能量也是临近的,由此常被统一称为“太阳发生性事件(solar
eruptive
events)”。守旧意义上的光怪陆离便是指太阳各层大气内被加热而增亮的部分(图1),CME则是被加快抛离太阳的有个别(图2)。耀斑的特点是,从射电到X射线以致g
射线的大概全波段上的辐射周详拉长。耀斑产生区的等离子体可被相当慢加热至几千万度,而电子和人质平常被加快到几百keV
到几十MeV,乃至越来越高能量。CME可将上百亿吨的等离子体磁云以每秒几百至上千公里的快慢抛向行星际空间,成为影响行星磁层和空中天气境况的最重要成分。

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阳光黑子遍布以11年为周期爆发变化。图中横轴为年度,纵轴为太阳赤纬。

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图1 一架飞机掠过H-阿尔法望远镜中的太阳表面。飞机左侧的亮带是三个活动区内被耀斑所加热的表皮大气。图中狭长的暗带是暗条,而活动区内浅米灰的斑状结构是黑子。该图由奥地利共和国(The Republic of Austria)萨拉热窝大学Kanzelhöhe天文台提供

黑子、耀斑、日冕物质抛射……太阳以各个不相同的主意显示着自身强硬的能量,你可精晓——

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说到地球磁场,大家当即会想到一幅标准画面:一根根法规的磁力线连着南极和北极,像个圆形的笼子把地球罩在中间。

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图2 二零一三 年5 月NASA
太阳引力学天文台(SDO)观测到的贰个太阳发生事件中被抛出的等离子体磁绳(flux
rope)

然而,太阳磁场可就大差异了。

太阳引力学卫星提供的光球矢量场的向阳分量,叠加的箭头展现耀斑前和耀斑后的快慢场。黑子转动角速度随时间的嬗变。图中的竖线代表耀斑时间。耀斑前及耀斑后的日冕磁场外推结果。

光怪陆离最早是1859
年在可知光波段于八个大黑子群周围观测到的,被叫作白光耀斑。但日面本身的白光辐射很强,只在少数斑斓时本事见到。系统性的考查和钻探始于于1930年。最常用的地面观测手段是接纳H-alpha等谱线和射电辐射等。而紫外线、X射线等由于面前碰着地球大气的吸收接纳而不可能在本土收到。20
世纪70
时代今后,基于卫星的半空中观测快速上扬,这两天已变为提供太阳观测资料的老马军。耀斑的概念标准是,引起太阳1—8
Å(1.6—12.4 keV)软X 射线流量增加的平地风波。依照GOES卫星(the 吉优stationary
Operational Environmental
Satellite)所记录的峰值流量的不等可划分为A,B,C,M和X多少个品级,其强度以十倍递增。X级耀斑在几十分钟内释放出的总能量可达1025
J,超越上亿颗千万级核弹的总量,何况可抓住日震(Sunquake,见图3)。

不久前,科大教学刘睿等人在《自然:通信》杂志上刊登诗歌,揭露了“太阳磁绳”的构造和多变经过。

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太阳磁绳听上去有个别素不相识,其实它是由一组螺旋形的磁力线组成。倘令你看一张阳光磁力线的暗示图,会意识那一个磁力线乌烟瘴气,极不法则。而那正与阳光磁场的特色有关。

图3 一九九九 年7 月9 日X2.6 级耀斑引起的日震,据称烈度约等于11.3
级的地震,由欧航局(ESA)和美利哥国家航空航天局(NASA)联合研制的阳光和阳光风层探测器(Solar
and Heliospheric Observatory,缩写为SOHO) SOHO/MDI
观测到。图中呈现的是视界方向上(即垂直纸面)的速度场,从中可以领会的来看震波的流传。该结果取自Kosovichev
和Zharkova 在1999 年Nature 杂志上刊登的稿子

磁场:太阳活动的源重力

同众多任何太阳活动现象同样,太阳产生多产生于黑子或黑子群周边的阳光活动区内,其发生频率和黑子紧凑相关。黑子是太阳上的强磁场区,其热度比周边要低,因此相对较暗。它相近的活动区就好像漂浮在等离子体海洋里的磁岛,平生经历展示、发展和消逝等经过。别的地方尽管也可以有结构运动和调换,但因相对安静被叫作宁静区。世界公众感到的最早对阳光黑子的记叙出自公元前28
年华夏的《汉书·五行志》。由于黑子的现身具备11
年的周期性,太阳活动区和平运动动现象也呈同周期变化(图4)。即在太阳活动峰年时,会有越来越多黑子出现,也就能够有更加多的突开采象。从1755
年算起的率先周初阶,咱们今后(二〇一三 年前后)正在经历第24
周的峰年。也正因为那几个缘故,太阳发生曾作为主犯之一被卷入了二零一一末日论。实际上,大家脚下所经历的太阳活动峰年是百多年来最弱的三个。

“磁场是挑起太阳活动的二个根本原因,能够说,太阳上全数的位移都以磁活动。”柏林市天文台郑建川硕士介绍。

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阳光物质是等离子体,整个太阳正是叁个等离子体球。郑建川说,这么些等离子体会和日光内部产生的磁场互相效能,呈现差异的运动款式。磁场越强,运动闽剧烈。

图4 那个图展现了日光低层日冕在第23
太阳周内由平静到“活跃”然后又重整旗鼓平静的扭转。图片来源于NASA网址(SOHO/EIT,ESA,NASA)

为此,太阳磁场是黑子、耀斑、日冕物质抛射等各类太阳产生活动的私自推手。用中国科高校国家天文台张枚切磋员的话说,地医学家一般以为太阳龙卷风的驱动能量都来自太阳磁场。

阳光发生活动确实能够影响人类生存,但非末日论所表明的。太阳发生的产物中包涵增强的辐射、高能粒子流、等离子体磁云等。当中各类频道上的太阳辐射确实可大幅增进,包蕴极紫外、高能X射线和g
射线,但由于辐射随距离的平方而裁减,在地球处的辐射(日地距离为1
天文单位,约1.5
亿公里)远不及在日光表面包车型客车强度。加上地球大气层的掩护,前段时间以为这种辐射对本没文化的职员和装置的震慑并不明明。而高能粒子流和等离子体磁云可影响地球周围的上空情状,发生磁暴,损害大型供电输电设备和卫星仪器,困扰有线电通讯和GPS系统。对极地飞行的游客和高空中的宇宙航行员亦存在潜在勒迫。因而有人称,太阳活动是今世人类社会的一种“富贵病”。随着大家的一般性生活越来越重视电能和种种电子仪器,以及航天航空的前行,空间天气商量开首面对各国强调。祸殃性空间天气中最著名的二个事例是,壹玖捌捌年二月9日的日冕物质抛射导致4月30日加拿大内罗毕的电力互连网大范围断电,至少持续了9
小时,有600
万人饱受震慑。其它,有迹象评释,太阳活动还也许影响天气和天气。然而,好的一面是,这几个出乎意外的磁化等离子体和地球磁场互相功能也会促成梦幻亮丽的极光。

“黑子正是日光磁场的一种显示格局。”
郑建川介绍,调查商量人士观测到有太阳黑子的地点,往往磁场庞大,能够达到规定的标准千高斯量级。而地球磁场可是几高斯而已,也正是说,太阳磁场强度是地球磁场的上千倍。

2 太阳发生和磁重联

调研职员能够在日光的光球层观测黑子,而斑斓和日冕物质抛射则产出在日冕层。当太阳的能量集中到早晚程度,就能够冒出部分忽地增亮,即耀斑。然后高能粒子会从日冕层抛射出来,也正是出现日冕物质抛射。

光怪陆离的商酌切磋随着观测同步前进。即使出现过种种冲突模型,但多数无法解释观测。近些日子的各类光怪陆离模型虽基于分化的磁结构,但大旨都以大同小异的,即磁场通过重联释放能量。20
世纪40 时代和50
时代,磁场重联理论模型被建议。磁场重联最早称为磁湮灭,后来透过发展,现在常提到的模子首即便Sweet—Parker慢磁重联和Petschek
连忙磁重联。

“耀斑和日冕物质抛射等,重即使太阳上的磁能转化为热能和高能粒子的动能。”郑建川说。

在最简便的两维磁场重联图像里(图5),相反方向的磁场线相互临近,并在中间变成X型结商谈电流片。在X型结构的中央区,磁场为零,两边的磁力线在这里再一次相连,然后在磁蒋哲作用下就好像拉满的弓弦飞速由电流片的四头弹出重联区,形成重联出流。磁场重联及电流片中的耗散(欧姆加热)使磁压减小,两边的磁力线进一步补充进来,牵动重联持续拓展。部分磁能在此进度中被转化为热能和粒子动能。

阳光磁场活动与人类的生育生活唇亡齿寒。

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郑建川比如说,太阳磁场活动掀起的光怪陆离、日冕物质抛射等太阳剧烈活动,会向宇宙空间抛射大批量高能粒子。人类宇宙航银行职员假如在此时期从太空飞船上出舱职业,会并产生命危急。

图5 磁场重联的暗意图。相反走向的磁力线相互靠拢,产生X
型结构,重新连接后的磁场从另外两端像绷紧的皮筋一样弹出重联区。

与此同不平日候这一个高能粒子还大概会对地球上的电力、通信产生巨大干扰。一九八八年的阳光耀斑产生事件,就曾导致加拿大大面积的电网瘫痪。

就算这一答辩的建议是为表达耀斑中比比较快释放的壮烈能量,但先河是在实验室、聚变安装和行星际空间获得大量观测的验证。这里的等离子体属性,如磁场、密度、速度等,可因此探头或卫星直接度量获得。大家一度认知到,磁重联作为磁化等离子体中一位命关天大旨历程存在于大自然各级等离子体系统中。半个多世纪以来,太阳物艺术学家也向来在着力追寻太阳爆发由磁重联驱动的凭证。然则,那么些进度并不及愿。

磁绳:斟酌太阳磁场的重中之重线索

率先,方今还尚无手艺花招能够使探测器深刻高温高辐射的太阳大气内从来探测等离子体,那是三个弱点,只可以通过记录太阳在依次波段上的光辐射来推算等离子体的景况,那包括成像和谱线探测。对于大条件的重联区来讲,那一点比照行星际空间的探测是个优势,因为前面一个只好通过多少个卫星探测点音讯,而没有任何进展明白整个区域的共同体协会。其次,太阳大气的温度布满很广,从几千度到耀斑中的千万度,其磁场结构非常复杂,且耀斑是重力学进度,对考查仪器的多温度探测技能以及时光和空间分辨率要求非常高。而那些技术的增高又受限于工程技术工夫的升华。

作为太阳磁场的根本体现方式,黑子往往在日光的南北半球成对出现。在那之中一个黑子的磁力线从日面指向太阳之外,那是磁场的正极,别的叁个黑子的磁力线从日面指向日心,代表磁场的负极。

此处有供给介绍一下太阳大气的协会特色。由低到高,太阳表层大气由光球、色球和日冕组成。当中光球正是大家日常看来的太阳表面,温度约6
千度,厚度约500
海里;色球厚度约3000多海里,这里的热度进步到几万度或更加高,然后相当慢对接到百万度的日冕。日冕加热难点,即太阳大天气温度度由外界向外不降反升,被科学(Science)杂志选为天体物理八大谜题之一。

三个完完全全的阳光黑子包括本影和半影。本影正是黑子最黑和最基本的地方。本影之外,不那么黑,并有部分细小的布局叫做半影。

日冕中的等离子体具备高温、低密度的性状。由于磁场的留存,等离子体一般情形下只可以顺着磁场运动,进而产生种种日冕环,是活动区日冕的非常重要布局。这里的磁压一般超越气压,即磁场占主导地位。等离子体和磁场能够说是绑定的。由此,纵然磁力线是海市蜃楼的,不或者观测的,但有幸的是,那几个日冕亮环勾勒出了磁场的位形及改动。那使大家得以从接受到的光辐射(图像)猜度日冕中的磁场变化。

“本影区域,它的磁力线方向也正是磁场的样子为主是垂直于日面的。”郑建川介绍,在半影区域,越是邻近黑子边缘,磁力线就越倾斜。到最边缘的地点,差不离与日面平行。

在时下广流年用的正儿八经耀斑模型里,因太阳表面运动而遭到剪切功用的磁环系由于不平稳而向上拱起,环系两边相反的磁力线之间会产生都电子通信工程大学流片,当磁场初始在此间耗散时,磁压进一步减小,而使两边的磁力线被“吸”进电流片重联(称为磁力线入流区),新连接的磁力线则分级从左右两端像绷紧的弦由磁裴帅弹出重联区(称为磁力线出流区)。向上的一部分连接成两个磁绳,最后抛离太阳表面形成CME,而向下的一对变成有着很小剪切角的新磁环系(到达更安定的经营不善状态,称为耀斑环或耀斑后环)。重联区和出流区使磁能释放,加快粒子并加热等离子体,变成持续的一名目好些个大气响应进度,并发出各样波段上的辐射巩固。被加快的高能电子沿耀斑环向下流入到两侧足点的低层大气,这里等离子体密度大,温度相对十分低。高能电子因和本土等离子体产生大气相撞而损失能量,进而加热大气并辐射出X射线轫致辐射(X
射线足点源)。而遇到电子的炮轰被高效加热的大批量大幅度膨胀,向上蒸发进而充满耀斑环。耀斑观测的里边贰个职务,就是寻找与这一个经过有关的凭据。

阳光上外地都有磁场,只要存在黑子活动区,就拜会到磁力线的进进出出,如此一来,就会见到太阳上的磁力线乌烟瘴气地遍及于全部日面上。

20 世纪70
时期今后,随着一雨后春笋太阳观测卫星的升空,空间探测急速前进,得到了划时期的太阳大气资料。耀斑中磁重联的凭据也慢慢储存起来。即使个中的大部都只是只怕与磁重联的某个进程有关,有个别以至恐怕是由别的进度而非磁重联变成,但它们依旧对认知耀斑进度非常重大。这几个证据首要总结,重联入流和出流的马迹蛛丝,cusp尖角结构,电流片,日冕双X射线源等。

日光中的等离子体剧烈运动,磁场也不行生动活泼。由此那个磁力线并不会乖乖静止在太阳表面。而是会像绳子同样一束一束地扭缠在联合具名,那就是所谓的“太阳磁绳”。

例如说,Yokoyama 等于二零零二 年第2回观测到相比清晰的入流现象;Masuda 等于1991年在Nature杂志第贰次告知,除常见的光怪陆离环足点X射线源,还设有位于耀斑环上方的硬X射线源,那恐怕是磁重联出流对环系的冲击导致的;Lin
等和Liu等个别报告了对电流片的多地点考查;Wang等开采了斑斓中的高速出流。可是,那一个散落在差别事件、区别数额中的现象不可能提交八个整机的磁重联图像。

郑建川介绍,太阳磁绳扭缠在一道,能量集中到多少个临界点后,就能够把磁场的能量转化为热能或动能,出现太阳产生活动比方耀斑或日冕物质抛射。

3 太阳引力学观测卫星(SDO)时期

而磁绳扭缠形式的两样,可能运动格局的比不上,太阳发生活动的品级或款式也可以有所不相同。因而,太阳磁绳就能够产生研商太阳磁场的首要线索。

在各个数据之中搜索太阳磁重联的凭据,就如物管理学家在云室中追寻新粒子的马迹蛛丝。而这种寻找需信赖对日冕环的详尽察看。二零零六年,美利坚合众国宇宙航香港行政局的阳光重力学观测卫星SDO
发射升空。那是太阳物理历史上存有标记性意义的一颗卫星。SDO载有三台仪器,当中的雅量成像组件AIA(Atmospheric
Imaging
Assembly)可在紫外、极紫外波段的十二个通道内对阳光进行全日面不间断成像,覆盖从几千度到约3000万度的热度限制。像素大小为0.6
角秒(约日面上的400 多英里),成像间隔时间约为12 秒。固然SDO能够当作是一九九二年发射的日光与阳光风层探测器(SOHO)的四个晋升版,不过它给太阳观测和商讨带来的是质的升高。高时空分辨率观测使SDO
的数据量十分变得庞大,仅一天的数额就高达1.5 Tb。因而,SDO
被放到地球同步轨道上,以便实时将观看数据以130 Mbps
的速度发回新墨西哥州的地面站。

别的,太阳磁绳或者还足以用来注明太阳上的磁重联现象。所谓磁重联,正是太阳表面包车型地铁磁力线会冒出断开,之后又再一次联上的境况。

SDO的多波段/多温度观测技术使对耀斑磁重联证据的系统性搜寻成为也许。二〇一三年,Yang Su 等在Nature Physics
杂志上告知了二个C级发生中磁场重联的详细证据。同期杂志还发表了磁重联专家TerryForbes 的褒贬小说,感到该工作大约找到了阳光产生中磁重联的各个成分。

磁极:每11年反转一次

其一出乎预料是在二〇一一 年8 月17 日被SDO记录到的。Su等人经过SDO/AIA
在极紫外观测到的阳光图像开采,相当的冷的日冕环(从几万度到百万度)不断地由南北两边互相靠拢,相遇后消退。与此相同的时间,高温环(超越1000万度)在中间造成,并在磁曹紫珩的机能下独家提升增添,
向下堆叠,由开端的尖角状变化成能量更低更安定的环状。同期在阳光表面,这几个环的足点区因被加热而增亮(图6
和图7)。全数这一个一望可知都协理耀斑磁重联的优良图像,就算那么些图像中的结论大都来自两维的情景。实际上,两组环系之间时有发生了重联,产生新的两组闭合的环系,是三个维度磁重联的一种。纵然SDO已记录到了一定多的产生,但亦可看到完整重联进程的并不是常少。二零一一年九月二二十八日的爆发事件是现阶段最完整的一个例子。那首若是因为:(1)那一个突如其来品级大小合适。由于AIA的仪器灵敏度非常高,大耀斑往往导致部分像素过饱和,使得耀斑区的内部情形错过。而以此C级耀斑中子虚乌有这种主题素材。另一方面,该事件固然级别十分的小,但空间尺度并十分的大,因此轻易辨认其空间协会。(2)那个耀斑爆发的位置和角度,使得在地球的方面能够观测到全体磁结构的衍变,如入流环和出流环的移位。而任何相当的多轩然大波中出于观测角度垂直于环面或身处重联区上方而望尘不及看到完好的重联进程。

因此钻研黑子,实验研商职员获悉了阳光磁场的大队人马性情。

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郑建川介绍,黑子却非均匀布满在阳光表面,它们在临近赤道的区域相比较密集,越向南周明帝度越少,全体出现在日光的南纬60°到北纬60°之间。

图6 Terry Forbes 在其商酌小说中对Su
等人商量的太阳发生所做的图解。左边是AIA 131
Å的观测,左侧是磁场重联的暗暗提示图。粉红箭头代表相对低温的入流,灰褐箭头代表高温出流,红线代表中间的电流片

何况,太阳上的磁极每隔11年就晤面世二遍反转。“那11年内,太阳活动也会油但是生转移,也等于有太阳活动峰年和谷年。峰年太阳活动最频仍,谷年则太阳活动最少。”郑建川说。

但是,AIA
单独提供的音信仍不足以令人信服。因为尽管AIA的一一极紫外通道具有分化的风味温度(即对该温度最敏锐),但事实上它们对从几80000度到几千万度的热度限制都有不相同水平的响应,在分歧的构造内占主导地位的谱线也不及,那代表很难明确某一坦途内考察到的布局所具有的热度。那时急需由别的仪器或波段来加以表明。由此Su
等人利用宝马X5HESSI 卫星,对耀斑区举办X射线成像和谱型研究。

尽管以时间为横轴,以阳光的南北纬度为纵轴,画出太阳上黑子的布满,就能发觉各类11年内,黑子都以刚早先比很少,逐步增添,然后再减掉。其它,无论是太阳的南半球,依旧北半球,黑子活动区域都会渐渐从高洋度向赤道临近。那样阳光上的黑子活动区产生了蝴蝶图案,每隔11年就晤面世一头“蝴蝶”。

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“那六年太阳活动很少,正处在太阳活动的谷年,整个日面包车型地铁黑子数量都非常少。”郑建川说,而贰零壹贰年和二〇一四年是太阳活动的峰年,太阳活动相对相比激烈。

图7 上面包车型大巴图呈现差异随时(国际时间)SDO/AIA 观测到的热环和奥迪Q5HESSI
观测到的X射线源(等值线)。图中粉深桔黄标示出了日面上被加热的区域,它们对应于耀斑环的足点区。上面的图呈现了ENVISIONHESSI观测到的X射线能谱。通过对其进行双温度拟合获得四个热辐射分量,分别对应三个温度的等离子体(由砖红和中绿标出)。

有关怎么太阳磁场每隔11年就能够反转叁次,又要提起表达太阳磁场的“发电机理论”。

中华VHESSI(the Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic
Imager),全称是日光高能分光成像谱仪,由加州大学Berkeley分校和NASA戈达德飞行大旨一块研制,于二零零三年升空,使用高纯锗(Ge)探测器监测3—300 keV 的日光耀斑X射线和超过300 keV
的γ 射线发生。其对X射线能谱的能量分辨率可达1 keV,并可在X射线和γ
射线能量段张开成像。至二零一二 年12 月,福特ExplorerHESSI已记录到超过8万个斑斓。

郑建川介绍,太阳“发电机理论”认为,太阳磁场是在对流区尾部发生,由于太阳的很差自转和磁浮力的法力,磁场浮今后阳光表面产生黑子区域。随着活动区的嬗变,在子午环流的机能下,后随黑子磁场渐渐被输运到极区之后又沉入太阳内部,进入下一个活动周,完毕磁极性反转。

在2013 年8 月十三日的产生事件中,福特ExplorerHESSI充裕呈现出了其在X射线能段的赏心悦目成像技术(图7)。4—10
keV 的X 射线像完美地刻画出同AIA131
Å图像一致的耀斑环,并出示出重联区周边存在热源。高级中学一年级些的10—20 keV
X射线像则在重联区上下四个尖角状结构处,即重联出流区观测到了X
射线源,表明那个地点确实存在能量释放。X
射线能谱展现出等离子体被日益加热至1700万度(图7)。所有那几个都协助AIA
所记录的重联进度。实际上,类似的事例曾经在二零零六 年由Leping Li 和Jun Zhang
观测到,但受限于仪器的数码质量以及考查角度等,该结果尚未受到钟情。

磁场来源:仍是未解之谜

对二〇一二 年的另多少个产生事件,Wei Liu 等同样运用SDO和WranglerHESSI
开掘了磁重联的凭证,以及出流区被加热的等离子体和被加速的电子(图8)。那一个事件还爆发了CME,是二个抛射型发生,可是,稍显遗憾的是尚未观测到入流的马迹蛛丝。

郑建川告诉记者,这几天对此太阳磁场的钻研,首要有理论和观望三种方式,对太阳磁场的观看比赛已经包罗各类波段。关于太阳磁场,还或许有许多未解之谜有待揭示。

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比如说,太阳磁场到底是怎么产生的?

图8
左侧体现了四个太阳产生的磁重联暗暗提示图;左边的两幅图像展现的是SDO/AIA所观看到的磁重联,包蕴热耀斑环、尖角状结构以及X射线源(等值线,由酷路泽HESSI成像获得)。X和Y表示日心坐标系东西和南北方向上距离日面大旨的相距。个中1
角秒相应阳光上700 多海里。

“即使有太阳磁场‘发电机理论’对此举行解释,然而对太阳的观测重要停留在阳光表面,然后通过模拟、总计来测算其中的图景。”郑建川说,比如日光磁场每隔11年就能反转,表明太阳磁活动周期为22年,这足以经过观测直接获取,然而为何会有22年的周期还应该有待进一步钻探。

在上述这五个爆发事件中,CR-VHESSI 在日冕重联区上下的出流区都开掘了八个日冕X
射线源。这种场所是在2003 年由Sui
和霍尔曼在另二个色彩斑斓中第一回观测到的,被分解为重联电流片两端实行能量释放的凭证,是福睿斯HESSI
最重大的成果之一。但出于当下尚未其余数据,那一个结论不可能得到验证。今后SDO和猎豹CS6HESSI
在极紫外和X射线的联手观测证实了那么些结论的正确性,那对日冕中的磁场重联提供了强压的支持。

除此以外,调查钻探职员还非常感兴趣的难点是,太阳表面包车型地铁热度是5000多摄氏度,但是日冕的温度却是几百万摄氏度。太阳的能量来源太阳的主干,既然太阳的外界使四千多摄氏度,为啥更靠外的日冕却蓦地增高如此之多?那也是三个有待回答的难点。

4 太阳产生讨论的侧向

“化学家一般认为,超过八分之四恒星都是有磁场的。”张枚告诉记者,通过钻研太阳磁场,调查研商职员能够推论别的恒星的磁场意况。

那么些研讨结果的刊登能够说给太阳磁重联证据的检索之路画上了二个句号,但大家对阳光产生的精晓和操纵还远远远远不够。磁重联合中学磁能是怎么具体被转化成热能和粒子动能的?太阳产生是如何被触发的?能无法预测发生事件的发生时间、规模和地址?太阳等离子体活动什么能援救缓慢解决实验室等离子体和聚变装置中的难题?太阳产生中的辐射和磁云究竟如何影响地球空间景况、天气天气、电子装备及宇宙航银行人员?怎么着减小这一个影响?这个问题都以从未有过解答的。在以后的日光物理中,磁重联的钻研仍将悠久私吞首要一席,不止归因于太阳产生中的重联细节尚不清楚,更因为磁重联也被认为在日光上别的部分情景中饰演首重要角色色,比方暗条变成、喷流以及日冕加热等。

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时下的日光发生商量,主要有以下八个方面包车型的士主旋律值得注意:

(1)
观测上,向更加高空间、时间和能谱分辨率发展。器重利用多波段观测数据提取磁场重联及能量释放的内部原因特征,分析各层大气对重联所释放能量的响应进度和粒子加速进度。

天管艺术学是最首要观测的教程,观测的要紧也就是物理中的实验。高时间/空间/能谱分辨率数据足以提供更丰硕的消息,会大幅地力促大家对大自然的认识。如瑞典王国1
m太阳望远镜的空中分辨率可达日面上150 km(约0.2 角秒)。自2004年以来,Nature 和Science 杂志已发布6
篇使用该数额的篇章。不过位置天文仪器往往受限于地球大气的打扰、天气的变迁和日夜轮班等,而在空中一纸空文那么些标题。因而,除了革新地方观测技巧之外,世界各航天强国一贯都在大力发展空间太阳观测卫星(图9),一方面拉长时间和空间分辨率,另一方面提议各个创新式的体察方法。比方SOHO,被停放在日地拉格朗日点;STEREO,由五个卫星组成,从地球出发分别向前向后飞行,产生与地球不一致的三个观点,进而使太阳发生的立体观测和预警成为也许;Solar
Probe 和Solar Orbiter,那四个探测器将要二〇一七年左右第三遍抵近太阳观测。

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图9
近来在轨和设计中的一些上空太阳观测卫星,它们主要源于美利坚联邦合众国国家航空航天局(NASA),欧航局(ESA)和扶桑航天局(JAXA)。图片来源于United States宇宙航香港行政局/戈达德航天飞行大旨网址(NASA/Goddard
Space Flight Center)

鉴于空间观测对最棒碰到下仪器的生存技术要求非常高,应用研讨观测的急需也在主动拉动各个有关行当的前进,如质地、光学、财富、机器人手艺、航天本事、教育、工业成立技能、自动化本领、监测控制才能、系统融合为一、项目管理、甚至IT
技能等。SDO所带来的挑战之一就满含大数量时期下的中距离无线传输技术、数据存款和储蓄、管理及搜寻技巧等。中中原人民共和国的阳光物理研讨为主同世界保持同步,但在日光空间探测方面差异一点都不小。纵然中中原人民共和国太阳物理界曾提议并主动促进“深空太阳天文台”、“先进天基太阳天文台”、“星神”等空间探测安插,但迄今结束未有发射过一颗太阳探测卫星。作为第贰个详细调查和著录黑子的国度,以及三个航天津高校国,中中原人民共和国应及早发射自身的日光观测卫星,为世界太阳物理和空间天气琢磨做出进献。

(2)理论上,随着Computer本领更加的是极品Computer的迈入,大条件三个维度磁重联的数值模拟将变为珍视。就算可能存在可调参数多、边界条件不显明、物理进度不全面等难题,数值模拟仍是构成理论和观望的首要性商量工具。其意义在于,它是确立在已知的情理进程基础上的,能够直观地体现理论商量的结晶,并同观测相相比较。而观察技术的增加也能够提供更有大要意义的参数和边界条件。图第10中学黑子的数值模拟结果同观测的相比较就是四个很好的事例。

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图10
黑子和光球的大条件数值模拟和骨子里观测的可比图。左边是美利坚合众国高山天文台(HAO/NCAQashqai)MatthiasRempel使用超算模拟的黑子,侧边是U.S.国家太阳天文台(NSO)F.Woeger实际观测到的黑子。此图取自MatthiasRempel在二〇一三年United States阳光物理年会上收获美利坚联邦合众国天军事学会太阳物理部(AAS/SPD)哈维奖时所做的报告。大原则、高精度数值模拟日益成为重大的科学研究工具

越是多的洞察突显出两维磁重联模型的局限性,由此发展更符合实际的三个维度磁重联是早晚的。Su
等人的结果展现了三个维度磁重联合中学入流环的一部分新特点,如入流不对称、加快步向重联区和入流环扩充等,那么些本该在新的三个维度模型初级中学完成学业生升学考试虑进去。就算三个维度情况下的磁结构大概特别复杂,但幸而的是,一级Computer和数值模拟的进步大概能够帮助大家最终化解三维景况下境遇的种种难点。

再有一种模拟值得说,即在等离子体实验室内模拟太阳上的光景。如Jiayong
Zhong
等人成功选择神光Ⅱ高功率激光实验装置在小法规上模仿了日光发生中被重联加热的光怪陆离环及环顶的X射线源,该成果公布在二〇〇八年的Nature Physics杂志上,并入选二〇一一年中中原人民共和国不错十大进展。那给探讨和明白分化口径等离子体系统中的重联现象提供了新的笔触。

(3)应用上,即在上空天气监测和预先报告上,首要是透过各样模型和骨子里观测预估高能粒子和CME在日地空间的传播进度,预先报告对地球空间境况的影响,个中也包括尚在起步阶段的光怪陆离发生预测。由于阳光产生越来越受到赏识,比相当多国家,包罗中夏族民共和国,都创制了半空中天气商讨和预告宗旨。今后的模型可能更进一步系统化,富含从太阳发生爆发直接到到达地球以致其他更远行星,并和行星磁层相互作用的整套经过。

其间,太阳发生的触及阶段及此前的能量储存阶段也许会化为二个最首要。这些历程包括众多至关心重视要音信,举例磁场重联的启示、暗条的不牢固、发生先前时代和最初的能量释放、磁场运动的储能进程等。那些方面包车型客车商讨需求综合考察和辩护上的学识,其果实会使预测太阳发生成为可能,进而给太阳物理带来突破。

总之,太阳爆发研商,以及范围更广大的日光物理和恒星物理切磋仍有相当短的路要走。只怕七个运行在人类周到调节的恒星物理知识底子上的数字化太阳(如图11),才是阳光物理的终极指标。

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图11
此图来自美利坚合众国科学幻想影视剧《星际之门》,体现的是二个升高文明的恒星监测预告连串。传说剧情中这么些数字化的阳光运营在该文明所调整的各个物理进度之上,能够预计并显示出产生活动的时间、地方照旧强度。这一定于高度进化版的数值模拟。此图取自gateworld.net

作者:苏杨,甘为群

正文选自《物理》二〇一四年第1期 (源自:中华夏族民共和国物法学会期刊网)

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