國家天文臺太陽物理TAP計劃助力北大學者在日冕加熱研究領域取得重要突破夜蒲團

在中科院國家天文臺太陽物理TAP項目等的支持下,北京大學田暉教授團隊利用大熊湖天文臺1.6米口徑太陽望遠鏡獲取的高分辨觀測資料,結合空間太陽觀測衛星提供的數據,在日冕加熱研究領域取得重要進展,其研究揭示了太陽針狀物的產生機制和加熱過程,論文于2019年11月15日發表在Science雜志上,題目為Generation of Solar Spicules and Subsequent Atmospheric Heating。

太陽向外輻射的能量來自內部核心區域的核聚變反應,從核心區往外到太陽表面(光球層),溫度從約1500萬度下降到5700度。然而從光球往外,溫度卻反常升高,到最外層的大氣(日冕)甚至達到百萬度的量級。如此高溫的日冕是如何產生和維持的?這就是日冕加熱的問題,它于2012年被Science雜志選為當代天文學的八大未解之謎之一。

田暉及其合作者認為太陽低層大氣里小尺度的普遍性噴流可能是理解日冕加熱過程的關鍵。這些普遍性噴流中,最典型的當屬位于太陽表面和日冕之間的所謂針狀物。它們的寬度通常只有200千米左右(太陽半徑約70萬千米),經常間歇性地從表面往外噴射到日冕中,就像噴泉一樣。為了理解針狀物的產生過程,國際上學者們提出了眾多不同物理過程的模型。但由于受到望遠鏡分辨率和靈敏度的限制,人們一直沒有觀測到針狀物的詳細產生過程,也就無法判別哪個模型是對的。因此對于針狀物的產生機制,目前太陽物理屆仍是莫衷一是。

大熊湖天文臺新一代古迪太陽望遠鏡 (GST)口徑1.6米,是目前世界上正在運營的最大口徑的太陽望遠鏡 (圖1),其得天獨厚的觀測臺址和強大的觀測儀器設備,為攻克該項極具挑戰的研究課題提供了可能。在國家天文臺太陽物理TAP項目和國家自然科學基金委等的支持下,田暉教授及其博士后Tanmoy Samanta與大熊湖天文臺臺長曹文達教授及其團隊通力合作,利用GST對針狀物的產生機制和加熱過程進行了成功的觀測(圖2)。他們發現,不同極性磁場結構之間的相互作用與針狀物的產生緊密相關。這些針狀物通常產生于太陽上強磁場的所謂網絡組織附近。當網絡組織附近出現相反極性的小尺度弱磁場結構時,通常便會產生針狀物。一些相反極性的磁場結構在與網絡磁場靠近的過程中逐漸變小并最終消失,在此過程中觀測到伴隨的針狀物活動。

該觀測結果為磁重聯驅動針狀物的觀點提供了強有力的支持。太陽上普遍存在小尺度磁流浮現(即磁場結構從太陽內部上浮到太陽大氣中)過程。當這些新浮現出來的磁場結構靠近強磁場的網絡組織,并且二者接觸面上磁場極性相反時,磁重聯便可能發生。磁重聯將位于低層大氣的物質加速往外拋出,形成針狀物。這與當前最流行的兩種針狀物產生機制(磁流體激波、中性與電離氣體成分之間的相互作用)截然不同,引起了國內外學者的廣泛關注?;谶@一觀測結果,多個團組已著手開展相關理論研究工作。

太陽動力學天文臺衛星(SDO)上搭載的大氣成像望遠鏡(AIA)也對GST的觀測區域進行了觀測。該望遠鏡可對日冕的極紫外輻射進行高靈敏度的觀測。其數據顯示,針狀物的上端出現了增強的輻射,表明針狀物在傳播過程中被加熱到了百萬度的量級。觀測表明,針狀物被加熱到日冕溫度是一種普遍現象,研究日冕加熱必須考慮針狀物的貢獻。

這一研究成果重新梳理了日冕加熱的研究思路。過去,人們通常僅僅在日冕觀測中尋找加熱的蛛絲馬跡,相關理論研究也基本局限于探討日冕中的物理過程。而這一研究成果表明日冕加熱與太陽低層大氣中的磁活動密切相關,若要揭開日冕加熱的神秘面紗,必須關注能量和物質從低層大氣往外傳輸的過程,亦即需要著眼于太陽各層大氣之間的耦合。

國家天文臺一直致力于獲取國際上大望遠鏡觀測時間、推動國際領先水平科學研究的TAP計劃。早在2014年,國家天文臺便與新澤西理工簽署了《利用大熊湖天文臺大望遠鏡探索太陽科學問題》的合作協議,既太陽物理TAP項目。該項目執行的五年來,中國學者已獲取GST 觀測天數218 天,成功執行觀測項目49項,由中國學者作為一作發表科學論文五十余篇,這些觀測數據同時為中科院所及高校培養了超過四十名博士碩士。



大熊湖天文臺的古迪太陽望遠鏡 (新澤西理工學院曹文達教授提供)



GST觀測所展示的針狀物與磁場演化之間的關系。左圖為Hα譜線觀測的針狀物(細長的暗結構)。右圖展示了針狀物由相反極性磁場結構之間的相互作用所產生,藍色和紅色代表視向磁場分量的不同極性。
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