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一分赛车官方网站太阳物理TAP计划助力北大学者在日冕加热研究领域取得重要突破

发表日期:2019-11-26来源:放大 缩小

  在中科院一分赛车官方网站太阳物理TAP项目等的支持下,北京大学田晖教授团队利用大熊湖天文台1.6米口径太阳望远镜获取的高分辨观测资料,结合空间太阳观测卫星提供的数据,在日冕加热研究领域取得重要进展,其研究揭示了太阳针状物的产生机制和加热过程,论文于20191115日发表在Science杂志上,题目为Generation of Solar Spicules and Subsequent Atmospheric Heating 

  太阳向外辐射的能量来自内部核心区域的核聚变反应,从核心区往外到太阳表面(光球层),温度从约1500万度下降到5700度。然而从光球往外,温度却反常升高,到最外层的大气(日冕)甚至达到百万度的量级。如此高温的日冕是如何产生和维持的?这就是日冕加热的问题,它于2012年被Science杂志选为当代天文学的八大未解之谜之一。 

  田晖及其合作者认为太阳低层大气里小尺度的普遍性喷流可能是理解日冕加热过程的关键。这些普遍性喷流中,最典型的当属位于太阳表面和日冕之间的所谓针状物。它们的宽度通常只有200千米左右(太阳半径约70万千米),经常间歇性地从表面往外喷射到日冕中,就像喷泉一样。为了理解针状物的产生过程,国际上学者们提出了众多不同物理过程的模型。但由于受到望远镜分辨率和灵敏度的限制,人们一直没有观测到针状物的详细产生过程,也就无法判别哪个模型是对的。因此对于针状物的产生机制,目前太阳物理届仍是莫衷一是。 

  大熊湖天文台新一代古迪太阳望远镜 (GST)口径1.6米,是目前世界上正在运营的最大口径的太阳望远镜 (1),其得天独厚的观测台址和强大的观测仪器设备,为攻克该项极具挑战的研究课题提供了可能。在一分赛车官方网站太阳物理TAP项目和国家自然科学基金委等的支持下,田晖教授及其博士后Tanmoy Samanta与大熊湖天文台台长曹文达教授及其团队通力合作,利用GST对针状物的产生机制和加热过程进行了成功的观测(图2)。他们发现,不同极性磁场结构之间的相互作用与针状物的产生紧密相关。这些针状物通常产生于太阳上强磁场的所谓网络组织附近。当网络组织附近出现相反极性的小尺度弱磁场结构时,通常便会产生针状物。一些相反极性的磁场结构在与网络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。 

  该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。太阳上普遍存在小尺度磁流浮现(即磁场结构从太阳内部上浮到太阳大气中)过程。当这些新浮现出来的磁场结构靠近强磁场的网络组织,并且二者接触面上磁场极性相反时,磁重联便可能发生。磁重联将位于低层大气的物质加速往外抛出,形成针状物。这与当前最流行的两种针状物产生机制(磁流体激波、中性与电离气体成分之间的相互作用)截然不同,引起了国内外学者的广泛关注。基于这一观测结果,多个团组已着手开展相关理论研究工作。 

  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GST的观测区域进行了观测。该望远镜可对日冕的极紫外辐射进行高灵敏度的观测。其数据显示,针状物的上端出现了增强的辐射,表明针状物在传播过程中被加热到了百万度的量级。观测表明,针状物被加热到日冕温度是一种普遍现象,研究日冕加热必须考虑针状物的贡献。 

  这一研究成果重新梳理了日冕加热的研究思路。过去,人们通常仅仅在日冕观测中寻找加热的蛛丝马迹,相关理论研究也基本局限于探讨日冕中的物理过程。而这一研究成果表明日冕加热与太阳低层大气中的磁活动密切相关,若要揭开日冕加热的神秘面纱,必须关注能量和物质从低层大气往外传输的过程,亦即需要着眼于太阳各层大气之间的耦合。 

  一分赛车官方网站一直致力于获取国际上大望远镜观测时间、推动国际领先水平科学研究的TAP计划。早在2014年,一分赛车官方网站便与新泽西理工签署了《利用大熊湖天文台大望远镜探索太阳科学问题》的合作协议,既太阳物理TAP项目。该项目执行的五年来,中国学者已获取GST 观测天数218 ,成功执行观测项目49项,由中国学者作为一作发表科学论文五十余篇,这些观测数据同时为中科院所及高校培养了超过四十名博士硕士。

大熊湖天文台的古迪太阳望远镜 (新泽西理工学院曹文达教授提供)

GST观测所展示的针状物与磁场演化之间的关系。左图为谱线观测的针状物(细长的暗结构)。右图展示了针状物由相反极性磁场结构之间的相互作用所产生,蓝色和红色代表视向磁场分量的不同极性。

 

 

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