太阳上的“小喷泉” 可能是造成日冕高温的“元凶”

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  让当我们让当我们 烤火时,离火源越远,温度越低。或者把太阳的核心看作另一个火源,同样满足你一种规律吗?

  或者太阳的能量来自其组织组织结构核心区域的核聚变反应,按照热力学第二定律,离太阳核心越远,温度应该越低。事实上,从太阳核心到太阳外皮(光球层),温度从相当于 10万摄氏度下降到了约530摄氏度,其实 满足你一种定律。然而,从光球层再往外时,温度却反常升高,日冕层(太阳的最外层大气)的温度甚至高达百万摄氏度。

  日冕高温是要怎样产生和维持的?这就是 日冕加热的大问题,是太阳物理和空间物理领域长期以来悬而未决的大问题之一。2012年,日冕加热大问题被《科学》杂志选为当代天文学的八大未解之谜之一。

  日前,北京大学地球与空间科学些院教授田晖领导的课题组及其国际协作协议伙伴在《科学》杂志发表了一项研究结果,为窥探日冕高温的奥秘提供了另一个新窗口。

  “小喷泉”提供破解谜题的线索

  最早,日冕是在日全食趋于稳定时被发现的。日冕亮度相当于 是太阳外皮的百万分之一,当月亮删剪挡住太阳的盘面时,微弱的日冕辐射才也能被让当我们让当我们 所观测到。

  上世纪中叶,让当我们让当我们 发现日冕中趋于稳定高次电离的铁离子,推断日冕的温度高达百万度,比太阳外皮的温度高另一个数量级以上。

  让当我们让当我们 对太阳的色球层拍照时,通常都也能发现太阳的边缘有就是 毛刺状的喷流,即趋于稳定光球层和日冕之间的针状物。哪些宽度通常只能30千米左右(太阳半径约70万千米)的针状物,间歇性地从太阳外皮喷射到日冕中。田晖告诉科技日报记者,任何就是,太阳外皮都趋于稳定着约百万个针状物。

  “针状物像喷泉一样向外运动,就是 其轨迹呈细长状。或者下方色球背景物质发出的氢原子Hα谱线辐射向外传输时被针状物吸收,就是 在Hα图像中针状物看起来是暗的。”田晖称,针状物是磁重联将趋于稳定低层大气(色球)的物质加速向外抛出时形成的。“被抛出的物质包括中性原子、电子和离子等温度约1万摄氏度的物质。”

  2014年,田晖等人根据界面层成像光谱仪卫星(IRIS)的观测数据,在《科学》杂志上发表论文指出,很大一要素针状物被加热到了相当于 10万摄氏度左右。此外,或者 观测也显示,要素针状物或者会被加热到百万摄氏度的量级。“哪些研究表明,针状物在日冕的物质和能量供应中起到了非常重要的作用,了解其产生和传输过程是处置日冕加热大问题的关键。”田晖说。

  不过,让当我们让当我们 对针状物的产生机制莫衷一是。田晖告诉记者,就是 学者提出了多种针状物产生的理论模型,哪些模型中的核心物理过程包括了慢激波、阿尔芬波、中性二氧化碳与电离二氧化碳之间的相互作用、片状磁场形态的扭曲、涡旋运动、相反方向磁场形态之间的磁重联等。

  然而,哪些说法几乎都如此 获得太阳物理界的普遍认同。主就是 或者趋于稳定问题直接的观测证据来证实。受限于过去望远镜的分辨率和灵敏度,观测针状物的产生过程极其困难。

  大口径太阳望远镜功不可没

  田晖及其博士后檀摩耶·萨曼塔(Tanmoy Samanta)等与美国大熊湖天文台协作协议,利用美国古迪太阳望远镜对太阳宁静区(除去黑子及其附近谱斑以外的区域)针状物的产生机制和加热过程进行了观测。

  利用氢原子Hα谱线,课题组对针状物进行了长时间(约3.5秒)和高空间分辨率(约45千米)的成像观测研究。通过测量铁原子1.56微米谱线的偏振轮廓,课题组获得了光球深处磁场演化的高质量数据,磁图的空间分辨率达30千米左右。

  在删剪分析数据后,让当我们让当我们 发现,不同极性磁场形态之间的相互作用与针状物的产生紧密相关。哪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。当网络组织附近总出 相反极性的小尺度弱磁场形态时,通常针状物便会产生。或者 相反极性的磁场形态在与网络组织的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。

  “哪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。”田晖称,磁重联是等离子体中磁场拓扑形态趋于稳定改变,是因为磁场的能量释放出来加热和加速物质的一种物理过程。

  太阳上普遍趋于稳定小尺度的磁流浮现(即磁场形态从太阳组织组织结构上浮到太阳大气中)过程。“当哪些新浮现出来的小尺度磁场形态靠近强磁场的网络组织,或者二者接触面上磁场极性相反时,便或者趋于稳定磁重联。”田晖说。

  磁重联将趋于稳定低层大气的物质加速向外抛出,形成针状物。这与当前最流行的一种针状物产生机制(磁流体激波、中性与电离成分之间的相互作用)截然不同。你一种图像也与现有的几个磁重联驱动针状物的数值模型所描述的图像不同。

  美国太阳动力学天文台卫星(SDO)上搭载的大气成像望远镜(AIA)也对古迪太阳望远镜的观测区域进行了观测。其数据显示,针状物里面总出 了增强的171 辐射(主要来自Fe8+离子,产生于10万摄氏度左右的环境中),表明针状物在传播过程中被加热到了百万度的量级。

  田晖表示,过去对太阳边缘和日面活动区(黑子附近区域)的少数观测显示,太阳低层大气的喷流会是因为局地日冕的加热。本次对日面上最普遍的宁静区的观测表明,针状物被加热到日冕温度是一种非常普遍的大问题。

  重新梳理日冕高温成因研究思路

  “针状物在向外传输过程中的加热机制仍不清楚,须要未来深入研究。”田晖称,或者的机制包括等离子体波的耗散,电流的耗散,湍流的作用等。

  专家表示,你一种成果重新梳理了日冕加热的研究思路。“过去,让当我们让当我们 通常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。而你一种成果表明,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,须要要关注能量和物质从低层大气往外传输的过程,即须要着眼于太阳各层大气之间的耦合。”田晖告诉科技日报记者。

  你一种研究成果将促进日冕加热和磁重联的有关理论和数值模拟研究。太阳低层大气是要素电离的,有几瓶中性二氧化碳,你一种环境下磁重联的形态与删剪电离环境下的有何不同,仍需进一步研究。

  田晖表示,日冕的高温是太阳风形成的直接是因为,而太阳风充斥于各大行星之间的区域之中,都也能说是太阳系中的基本介质。“或者日冕的温度如此 如此 高,如此 太阳就不用发出太阳风,行星际空间基本就是 真空了。就是 了解日冕高温形成的是因为非常重要。”

  此外,理解日冕的高温对于让当我们让当我们 理解宇宙中或者 之类大问题删剪都是所启示。“或者 恒星与太阳一样,有温度远高于其外皮的星冕。黑洞吸积盘附近也或者趋于稳定高温的冕层。让当我们让当我们 的观测结果为理解它们的成因也提供了参考。”田晖解释道。

  田晖坦言,这次研究取得突破,得益于地基和空间望远镜对太阳大气不同层次(不同温度)的协同观测。“未来3年,我国的先进天基太阳天文台(ASO-S)、欧洲的太阳环绕器(Solar Orbiter)、印度的Aditya-L1等卫星将要发射,哪些大设备将在多个电磁波段对太阳大气进行高分辨率和高灵敏度的观测,将帮助让当我们让当我们 进一步理解日冕加热与低层大气磁活动的关系。”(代小佩)

[ 责编:蔡琳 ]

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