太陽(yáng)環(huán)繞器飛船攜帶的極紫外成像儀觀測(cè)到的日冕中的“篝火”（Berghmans et al. 2021, A&A）

左圖是模擬的日冕圖像，圓圈指示了一個(gè)類(lèi)似“篝火”的提出太陽(yáng)事件。右圖背景是日冕太陽(yáng)表面的磁場(chǎng)，粉紅色代表左圖展示的理論“篝火”位置，不同顏色的模型曲線表示其附近的磁力線（Yajie Chen et al. 2021, A&A）。
（神秘的篝火地球uux.cn報(bào)道）據(jù)北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院：歐洲空間局的太陽(yáng)環(huán)繞器飛船(Solar Orbiter)去年發(fā)現(xiàn)了日冕中存在大量類(lèi)似“篝火”的現(xiàn)象，這是中國(guó)該飛船上天后的第一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)。近日，和德我院博士研究生陳亞杰等人通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，國(guó)科提出了“篝火”的學(xué)家攜手第一個(gè)理論模型，認(rèn)為這些“篝火”是提出太陽(yáng)通過(guò)一種被稱(chēng)為“分量磁重聯(lián)”的物理過(guò)程所產(chǎn)生的。他們的杭州下城外圍女(高端外圍資源vx《365-2895》提供外圍女上門(mén)服務(wù)快速選照片快速安排不收定金面到付款30分鐘可到達(dá)研究還表明，這些“篝火”可能對(duì)高溫日冕的形成有重要貢獻(xiàn)。4月27日，歐洲空間局官網(wǎng)、美國(guó)《科學(xué)》雜志網(wǎng)站、德國(guó)馬普學(xué)會(huì)官網(wǎng)等學(xué)術(shù)媒體報(bào)道了這一研究結(jié)果。
什么是日冕加熱？
太陽(yáng)大氣的底部溫度大約為5500攝氏度，但是太陽(yáng)的最外層大氣日冕卻維持著百萬(wàn)度的高溫。由于太陽(yáng)的能量來(lái)自?xún)?nèi)部核心區(qū)的核聚變，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，距離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，溫度應(yīng)該越低，但是日冕中的溫度卻比太陽(yáng)表面的溫度高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。日冕中的高溫是如何產(chǎn)生并維持的？這就是困擾太陽(yáng)物理界數(shù)十年的“日冕加熱”難題，也是當(dāng)代天文和空間科學(xué)領(lǐng)域最主要的未解之謎之一。
1988年前后，美國(guó)著名太陽(yáng)物理學(xué)家、日球物理之父帕克（EugeneParker）提出了一個(gè)模型。他認(rèn)為，日冕中的磁力線可能是相互交織在一起的，這樣在很多地方，相鄰磁力線的方向就不會(huì)完全一樣，而是有一定的夾角。在這些位置，容易產(chǎn)生類(lèi)似太陽(yáng)耀斑、但空間和時(shí)間尺度都要小得多的能量釋放事件，這些事件被稱(chēng)為納耀斑。帕克猜測(cè)，日冕中可能遍布這種微小尺度的事件，它們釋放的總能量足以加熱日冕。然而迄今為止，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)被太陽(yáng)物理界公認(rèn)的、直接的納耀斑觀測(cè)證據(jù)。
“日冕”中的“篝火”
耗資約15億歐元的太陽(yáng)環(huán)繞器飛船于去年2月成功發(fā)射，其攜帶的極紫外成像儀（EUI）是迄今為止分辨率最高的太陽(yáng)極紫外望遠(yuǎn)鏡。該望遠(yuǎn)鏡很快便發(fā)現(xiàn)寧?kù)o日冕中有著大量的小尺度瞬時(shí)增亮現(xiàn)象，這些亮點(diǎn)看起來(lái)就像是“篝火”一樣，遍布太陽(yáng)表面。其空間尺度最小達(dá)到400公里左右，持續(xù)時(shí)間只有十幾秒到幾分鐘。來(lái)自歐洲的科學(xué)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)細(xì)致的分析后，發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象發(fā)生在太陽(yáng)表面以上僅僅幾千公里的高度，發(fā)生之處的氣體通常能夠被加熱到幾百萬(wàn)度的高溫。這些在日冕中新發(fā)現(xiàn)的最小、最微弱的事件，可能對(duì)于我們理解日冕加熱問(wèn)題有重要啟示。
這些“篝火”是如何點(diǎn)亮的
近日，來(lái)自我院的陳亞杰同學(xué)、田暉教授與德國(guó)馬普學(xué)會(huì)太陽(yáng)系研究所的HardiPeter教授、DamienPrzybylski博士等人合作，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬深入研究了這些日冕“篝火”背后的物理過(guò)程，探討了這些“篝火”是如何點(diǎn)亮的。在此基礎(chǔ)上，他們提出了第一個(gè)日冕“篝火”的理論模型。
他們對(duì)太陽(yáng)大氣開(kāi)展了三維輻射磁流體力學(xué)數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)模型中有很多和觀測(cè)到的“篝火”性質(zhì)高度一致的瞬時(shí)亮點(diǎn)。通過(guò)分析幾個(gè)最明顯的亮點(diǎn)周?chē)拇艌?chǎng)結(jié)構(gòu)的演化，他們發(fā)現(xiàn)大部分亮點(diǎn)都對(duì)應(yīng)了在兩組冕環(huán)之間發(fā)生的分量磁重聯(lián)。磁重聯(lián)是發(fā)生在電離氣體（等離子體）中的一種物理過(guò)程，可以形象地理解為相反方向的磁力線相互靠近后“斷開(kāi)”再重新“連接”。而分量磁重聯(lián)是指發(fā)生重新“連接”的兩組磁力線并非具有完全相反的方向，而是之間有一個(gè)較小的角度。分量磁重聯(lián)發(fā)生后，磁場(chǎng)中的能量被釋放出來(lái)，加熱了局部日冕大氣，形成“篝火”。
他們通過(guò)計(jì)算還發(fā)現(xiàn)，這些“篝火”釋放的能量與日冕加熱所需能量相當(dāng)，表明其對(duì)高溫日冕的形成可能有重要貢獻(xiàn)。這一研究結(jié)果表明，“篝火”可能是帕克模型預(yù)言的跟納耀斑同一個(gè)類(lèi)型的能量釋放事件。但受限于當(dāng)前望遠(yuǎn)鏡的分辨率，觀測(cè)到的“篝火”可能還只是那些尺度較大的少數(shù)事件。
2020年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外的新一代太陽(yáng)觀測(cè)設(shè)備陸續(xù)投入或即將投入觀測(cè)。未來(lái)幾年，人類(lèi)將首次實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)大氣的不同層次同時(shí)進(jìn)行速度場(chǎng)和磁場(chǎng)測(cè)量，這為日冕加熱的研究帶來(lái)了巨大機(jī)遇。目前太陽(yáng)環(huán)繞器飛船還處在巡航階段，尚未正式開(kāi)始針對(duì)太陽(yáng)的科學(xué)觀測(cè)。我們可以期待，未來(lái)幾年里，基于其更多高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合當(dāng)前最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模型，我們對(duì)日冕加熱這一難題的理解將得到大大提升。
相關(guān)論文已經(jīng)被世界三大最主要的天文期刊之一Astronomy & Astrophysics接收，即將正式發(fā)表。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委等的支持。
Y. Chen, D. Przybylski, H. Peter, H. Tian, F. Auchere, D. Berghmans, Astronomy & Astrophysics, 2021 (https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202140638)
相關(guān)報(bào)道：首個(gè)日冕“篝火”理論模型提出 或?qū)⒔忾_(kāi)困擾科學(xué)界數(shù)十年的難題
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)科技日?qǐng)?bào)（劉霞）：歐洲空間局官網(wǎng)和美國(guó)《科學(xué)》雜志網(wǎng)站27日?qǐng)?bào)道，中國(guó)和德國(guó)科學(xué)家攜手，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，提出了日冕“篝火”首個(gè)理論模型。該模型不僅揭示了這些“篝火”是如何被點(diǎn)燃的，還表明這些“篝火”可能對(duì)高溫日冕的形成有重要作用。
去年，歐洲空間局的太陽(yáng)軌道器飛船攜帶的極紫外成像儀發(fā)現(xiàn)，寧?kù)o日冕中存在大量小尺度瞬時(shí)增亮現(xiàn)象，這些亮點(diǎn)看起來(lái)就像“篝火”，遍布日冕。歐洲科學(xué)家經(jīng)過(guò)分析后發(fā)現(xiàn)，這些“篝火”出現(xiàn)在太陽(yáng)表面以上幾千公里的地方，此處的氣體被加熱到幾百萬(wàn)攝氏度。
那么，這些“篝火”是如何形成并被點(diǎn)燃的呢？
近日，來(lái)自北京大學(xué)的博士研究生陳亞杰、田暉教授與德國(guó)馬普學(xué)會(huì)科學(xué)家攜手，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬深入研究了這些“篝火”背后的物理過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上提出了首個(gè)日冕“篝火”的理論模型。
該模型認(rèn)為，這些在日冕中新發(fā)現(xiàn)的很小且微弱的現(xiàn)象，是通過(guò)名為“分量磁重聯(lián)”的物理過(guò)程所產(chǎn)生。這一過(guò)程發(fā)生后，磁場(chǎng)中的能量被釋放出來(lái)，加熱了局部日冕大氣，形成“篝火”。他們還發(fā)現(xiàn)，這些“篝火”釋放的能量與日冕加熱所需能量相當(dāng)，表明其對(duì)高溫日冕的形成可能有重要作用，有助科學(xué)家進(jìn)一步揭示“日冕加熱”難題。
陳亞杰解釋說(shuō)，太陽(yáng)大氣的底部溫度約為5500℃，但最外層大氣日冕卻維持百萬(wàn)攝氏度的高溫。日冕中的高溫是如何產(chǎn)生并維持的？這是困擾太陽(yáng)物理學(xué)界數(shù)十年的“日冕加熱”難題，也是當(dāng)代天文和空間科學(xué)領(lǐng)域最主要的未解之謎之一。
田暉指出：“2020年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外新一代太陽(yáng)觀測(cè)設(shè)備陸續(xù)投入或即將投入使用，未來(lái)幾年里，基于這些設(shè)備能夠提供的更多高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合當(dāng)前最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模型，我們對(duì)日冕加熱這一難題的理解將得到極大提升。”
最新研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委等的支持。