太阳上的“小喷泉” 可能是造成日冕高温的“元凶”

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  当亲戚亲戚朋友 烤火时,离火源越远,温度越低。因为着把太阳的核心看作有有一一3个多火源,同样满足这种 规律吗?

  因为着太阳的能量来自其内部管理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,从太阳核心到太阳皮层(光球层),温度从大概800万摄氏度下降到了约5800摄氏度,虽然满足这种 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。

  日冕高温是如何产生和维持的?这太大太大我日冕加热的问题,是太阳物理和空间物理领域长期以来悬而未决的问题之一。2012年,日冕加热问题被《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学院教授田晖领导的课题组及其国际商务媒体合作伙伴在《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有有一一3个多新窗口。

  “小喷泉”提供破解谜题的线索

  最早,日冕是在日全食存在时被发现的。日冕亮度大概是太阳皮层的百万分之一,当月亮删剪挡住太阳的盘面时,微弱的日冕辐射才太大再 被亲戚亲戚朋友 所观测到。

  上世纪中叶,亲戚亲戚朋友 发现日冕中存在高次电离的铁离子,推断日冕的温度高达百万度,比太阳皮层的温度高有有一一3个多数量级以上。

  当亲戚亲戚朋友 对太阳的色球层拍照时,通常上能发现太阳的边缘有太大太大毛刺状的喷流,即存在光球层和日冕之间的针状物。那此宽度通常上能否 80千米左右(太阳半径约70万千米)的针状物,间歇性地从太阳皮层喷射到日冕中。田晖告诉科技日报记者,任何后后,太阳皮层都存在着约百万个针状物。

  “针状物像喷泉一样向外运动,太大太大其轨迹呈细长状。因为着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,太大太大在Hα图像中针状物看起来是暗的。”田晖称,针状物是磁重联将存在低层大气(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,很大一每种针状物被加热到了大概8万摄氏度左右。此外,这种 观测也显示,每种针状物因为着会被加热到百万摄氏度的量级。“那此研究表明,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除理日冕加热问题的关键。”田晖说。

  不过,亲戚亲戚朋友 对针状物的产生机制莫衷一是。田晖告诉记者,太大太大学者提出了多种针状物产生的理论模型,那此模型中的核心物理过程包括了慢激波、阿尔芬波、中性气体 与电离气体 之间的相互作用、片状磁场行态的扭曲、涡旋运动、相反方向磁场行态之间的磁重联等。

  然而,那此说法几乎都没办法 获得太阳物理界的普遍认同。主太大太大我因为着缺乏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商务媒体合作,利用美国古迪太阳望远镜对太阳宁静区(除去黑子及其附过谱斑以外的区域)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80千米左右。

  在删剪分析数据后,亲戚亲戚朋友 发现,不同极性磁场行态之间的相互作用与针状物的产生紧密相关。那此针状物通常产生于太阳上一种生活对流单元边界处的强磁场区域(称为网络组织)附过。当网络组织附过出現相反极性的小尺度弱磁场行态时,通常针状物便会产生。这种 相反极性的磁场行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。

  “那此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行态存在改变,因为着磁场的能量释放出来加热和加速物质的一种生活物理过程。

  太阳上普遍存在小尺度的磁流浮现(即磁场行态从太阳内部管理上浮到太阳大气中)过程。“当那此新浮现出来的小尺度磁场行态靠近强磁场的网络组织,太大太大我二者接触面上磁场极性相反时,便因为着存在磁重联。”田晖说。

  磁重联将存在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生活针状物产生机制(磁流体激波、中性与电离成分之间的相互作用)截然不同。这种 图像也与现有的有十几个 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,针状物底下出現了增强的171 辐射(主要来自Fe8+离子,产生于80万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(黑子附过区域)的少数观测显示,太阳低层大气的喷流会因为着局地日冕的加热。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生活非常普遍的问题。

  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,时需未来深入研究。”田晖称,因为着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,这种 成果重新梳理了日冕加热的研究思路。“过去,亲戚亲戚朋友 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。而这种 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,时需要关注能量和物质从低层大气往外传输的过程,即时需着眼于太阳各层大气之间的耦合。”田晖告诉科技日报记者。

  这种 研究成果将利于日冕加热和磁重联的有关理论和数值模拟研究。太阳低层大气是每种电离的,有大量中性气体 ,这种 环境下磁重联的行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因为着,而太阳风充斥于各大行星之间的区域之中,上能说是太阳系中的基本介质。“因为着日冕的温度没办法 没办法 高,没办法 太阳就太大再发出太阳风,行星际空间基本太大太大我真空了。太大太大了解日冕高温形成的因为着非常重要。”

  此外,理解日冕的高温对于亲戚亲戚朋友 理解宇宙中这种 这种问题删剪都是所启示。“这种 恒星与太阳一样,有温度远高于其皮层的星冕。黑洞吸积盘附过也因为着存在高温的冕层。亲戚亲戚朋友 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,那此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,将帮助亲戚亲戚朋友 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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