中國科大日地空間物理研究團隊在太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)的研究中取得重要進(jìn)展，發(fā)現爆發(fā)結構在早期爆發(fā)過(guò)程中發(fā)生了復雜的重構演化，研究成果以“Complete replacement of magnetic flux in a flux rope during a coronal mass ejection”為題，于2023年5月4日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Nature Astronomy》。
太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)的一個(gè)主要表現形式是日冕物質(zhì)拋射（coronal mass ejection;或CME），即太陽(yáng)大氣中緩慢積累的磁能在短時(shí)間內被劇烈地釋放出來(lái)，將局部大氣加熱到上千萬(wàn)度——被稱(chēng)為耀斑，并產(chǎn)生大量高能粒子，同時(shí)上億噸攜帶著(zhù)磁場(chǎng)的日冕物質(zhì)被拋射到行星際空間。在接下來(lái)幾天內，它將擾動(dòng)整個(gè)太陽(yáng)系的空間環(huán)境，尤其是影響現代社會(huì )中的各種高技術(shù)系統，包括航天、航空、通訊、電網(wǎng)等。自上世紀70年代被發(fā)現以來(lái)，日冕物質(zhì)拋射一直是太陽(yáng)和日地空間物理關(guān)注的焦點(diǎn)。在經(jīng)典圖像中，太陽(yáng)爆發(fā)的核心結構是由螺旋纏繞的磁力線(xiàn)構成的磁繩；在爆發(fā)開(kāi)始后，磁繩周?chē)拇帕€(xiàn)通過(guò)磁場(chǎng)重聯(lián)轉化為螺繞的磁力線(xiàn)，包裹在原有磁繩之外，導致其以“滾雪球”的方式迅速長(cháng)大，預期形成具有規則纏繞形態(tài)的拋射磁場(chǎng)結構。然而，各種近地和行星際飛船在“原位”探測到的太陽(yáng)拋射物中，只有一小部分（僅約三分之一）具有預期的磁場(chǎng)結構，其余則與經(jīng)典圖像存在較大偏差。
圖1.爆發(fā)前磁繩結構的形成
研究團隊對發(fā)生在2014年教師節的日冕物質(zhì)拋射事件進(jìn)行了深入研究，經(jīng)過(guò)多方探索和仔細分析，發(fā)現爆發(fā)前形成的磁繩結構在爆發(fā)過(guò)程中經(jīng)歷了一系列復雜的剝蝕、瓦解和重建。觀(guān)測證據表明，爆發(fā)前具有S形結構的磁繩從小尺度的“種子”發(fā)展而來(lái)（圖1），這一過(guò)程也為研究團隊前期的研究成果（Wang et al. 2017, Nature Communications; Gou et al. 2019, Science Advances）提供了不同角度的重要佐證。爆發(fā)開(kāi)始時(shí)，磁繩的足點(diǎn)被低層大氣中一個(gè)梯形的亮帶清晰地勾勒出來(lái)（圖2）；在隨后的劇烈爆發(fā)過(guò)程中，爆發(fā)結構的足點(diǎn)由于物質(zhì)缺失表現為日冕中的暗化區（圖2）。伴隨著(zhù)太陽(yáng)色球耀斑帶的高度動(dòng)態(tài)變化和日冕暗化區域的隨之漂移（圖3），爆發(fā)結構的足點(diǎn)位置發(fā)生了劇烈的遷移，與爆發(fā)前磁繩的足點(diǎn)區域幾乎沒(méi)有交集（圖2）；而根據經(jīng)典圖像，表征爆發(fā)結構足點(diǎn)的日冕暗化區本應覆蓋原有磁繩的足點(diǎn)。耀斑帶末端則呈現極度不規則的形態(tài)以及來(lái)回拉鋸式的運動(dòng)（圖3），揭示磁繩內部以及磁繩與周?chē)艌?chǎng)間發(fā)生著(zhù)復雜的三維磁場(chǎng)重聯(lián)。這些現象表明，爆發(fā)過(guò)程中的三維磁場(chǎng)重聯(lián)將原有磁繩的磁通量幾乎完全替換。這一研究揭示了以前鮮有報導的復雜三維磁重聯(lián)的細節過(guò)程及其在日冕物質(zhì)拋射形成中的重要作用，同時(shí)為行星際空間復雜拋射結構的產(chǎn)生提供了新的物理解釋?zhuān)矠榭臻g天氣預報帶來(lái)啟示。
圖2.爆發(fā)前磁繩足點(diǎn)與爆發(fā)結構的足點(diǎn)幾乎無(wú)交集，表明磁繩中的磁通在爆發(fā)過(guò)程中通過(guò)磁場(chǎng)重聯(lián)被完全更替。
圖3.爆發(fā)過(guò)程中色球耀斑帶隨時(shí)間的劇烈動(dòng)態(tài)演化
該項工作第一作者為中國科大地球和空間科學(xué)學(xué)院原特任副研究員茍廷玉，現在美國哈佛-史密松天體物理中心工作。茍廷玉和科大劉睿教授為文章共同通訊作者。合作單位包括奧地利格拉茨大學(xué)、美國新罕布什爾大學(xué)、中科院國家天文臺、深空探測實(shí)驗室等。該項研究工作得到了基金委杰出青年科學(xué)基金等項目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41550-023-01966-2
（地球和空間科學(xué)學(xué)院、科研部）
