中国和德国科学家携手提出太阳日冕“篝火”首个理论模型 _太阳

太阳环绕器飞船携带的极紫外成像仪观测到的日冕中的“篝火”（Berghmans et al. 2021, A&A）

左图是模拟的日冕图像，圆圈指示了一个类似“篝火”的事件。右图背景是太阳表面的磁场，粉红色代表左图展示的“篝火”位置，不同颜色的曲线表示其附近的磁力线（Yajie Chen et al. 2021, A&A）。
（）据北京大学地球与空间科学学院：欧洲空间局的太阳环绕器飞船(Solar Orbiter)去年发现了日冕中存在大量类似“篝火”的现象，这是该飞船上天后的第一个重要发现。近日，我院博士研究生陈亚杰等人通过计算机数值模拟，提出了“篝火”的第一个理论模型，认为这些“篝火”是通过一种被称为“分量磁重联”的物理过程所产生的。他们的研究还表明，这些“篝火”可能对高温日冕的形成有重要贡献。4月27日，欧洲空间局官网、美国《科学》杂志网站、德国马普学会官网等学术媒体报道了这一研究结果。
什么是日冕加热？
太阳大气的底部温度大约为5500摄氏度，但是太阳的最外层大气日冕却维持着百万度的高温。由于太阳的能量来自内部核心区的核聚变，根据热力学第二定律，距离太阳越远，温度应该越低，但是日冕中的温度却比太阳表面的温度高了两个数量级以上。日冕中的高温是如何产生并维持的？这就是困扰太阳物理界数十年的“日冕加热”难题，也是当代天文和空间科学领域最主要的未解之谜之一。
1988年前后，美国著名太阳物理学家、日球物理之父帕克（EugeneParker）提出了一个模型。他认为，日冕中的磁力线可能是相互交织在一起的，这样在很多地方，相邻磁力线的方向就不会完全一样，而是有一定的夹角。在这些位置，容易产生类似太阳耀斑、但空间和时间尺度都要小得多的能量释放事件，这些事件被称为纳耀斑。帕克猜测，日冕中可能遍布这种微小尺度的事件，它们释放的总能量足以加热日冕。然而迄今为止，还没有发现被太阳物理界公认的、直接的纳耀斑观测证据。
“日冕”中的“篝火”
耗资约15亿欧元的太阳环绕器飞船于去年2月成功发射，其携带的极紫外成像仪（EUI）是迄今为止分辨率最高的太阳极紫外望远镜。该望远镜很快便发现宁静日冕中有着大量的小尺度瞬时增亮现象，这些亮点看起来就像是“篝火”一样，遍布太阳表面。其空间尺度最小达到400公里左右，持续时间只有十几秒到几分钟。来自欧洲的科学团队经过细致的分析后，发现这些现象发生在太阳表面以上仅仅几千公里的高度，发生之处的气体通常能够被加热到几百万度的高温。这些在日冕中新发现的最小、最微弱的事件，可能对于我们理解日冕加热问题有重要启示。
这些“篝火”是如何点亮的
近日，来自我院的陈亚杰同学、田晖教授与德国马普学会太阳系研究所的HardiPeter教授、DamienPrzybylski博士等人合作，通过计算机模拟深入研究了这些日冕“篝火”背后的物理过程，探讨了这些“篝火”是如何点亮的。在此基础上，他们提出了第一个日冕“篝火”的理论模型。
他们对太阳大气开展了三维辐射磁流体力学数值模拟，发现模型中有很多和观测到的“篝火”性质高度一致的瞬时亮点。通过分析几个最明显的亮点周围的磁场结构的演化，他们发现大部分亮点都对应了在两组冕环之间发生的分量磁重联。磁重联是发生在电离气体（等离子体）中的一种物理过程，可以形象地理解为相反方向的磁力线相互靠近后“断开”再重新“连接” 。而分量磁重联是指发生重新“连接”的两组磁力线并非具有完全相反的方向，而是之间有一个较小的角度。分量磁重联发生后，磁场中的能量被释放出来，加热了局部日冕大气，形成“篝火” 。
他们通过计算还发现，这些“篝火”释放的能量与日冕加热所需能量相当，表明其对高温日冕的形成可能有重要贡献。这一研究结果表明，“篝火”可能是帕克模型预言的跟纳耀斑同一个类型的能量释放事件。但受限于当前望远镜的分辨率，观测到的“篝火”可能还只是那些尺度较大的少数事件。
2020年以来，国内外的新一代太阳观测设备陆续投入或即将投入观测。未来几年，人类将首次实现对太阳大气的不同层次同时进行速度场和磁场测量，这为日冕加热的研究带来了巨大机遇。目前太阳环绕器飞船还处在巡航阶段，尚未正式开始针对太阳的科学观测。我们可以期待，未来几年里，基于其更多高质量的观测数据，并结合当前最先进的计算机数值模型，我们对日冕加热这一难题的理解将得到大大提升。
相关论文已经被世界三大最主要的天文期刊之一Astronomy & Astrophysics接收，即将正式发表。该工作得到了国家自然科学基金委等的支持。
Y. Chen, D. Przybylski, H. Peter, H. Tian, F. Auchere, D. Berghmans, Astronomy & Astrophysics, 2021 (https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202140638)
相关报道：首个日冕“篝火”理论模型提出或将解开困扰科学界数十年的难题
（）据科技日报（刘霞）：欧洲空间局官网和美国《科学》杂志网站27日报道，中国和德国科学家携手，通过计算机数值模拟，提出了日冕“篝火”首个理论模型。该模型不仅揭示了这些“篝火”是如何被点燃的，还表明这些“篝火”可能对高温日冕的形成有重要作用。
去年，欧洲空间局的太阳轨道器飞船携带的极紫外成像仪发现，宁静日冕中存在大量小尺度瞬时增亮现象，这些亮点看起来就像“篝火”，遍布日冕。欧洲科学家经过分析后发现，这些“篝火”出现在太阳表面以上几千公里的地方，此处的气体被加热到几百万摄氏度。
那么，这些“篝火”是如何形成并被点燃的呢？
近日，来自北京大学的博士研究生陈亚杰、田晖教授与德国马普学会科学家携手，通过计算机模拟深入研究了这些“篝火”背后的物理过程，并在此基础上提出了首个日冕“篝火”的理论模型。
该模型认为，这些在日冕中新发现的很小且微弱的现象，是通过名为“分量磁重联”的物理过程所产生。这一过程发生后，磁场中的能量被释放出来，加热了局部日冕大气，形成“篝火” 。他们还发现，这些“篝火”释放的能量与日冕加热所需能量相当，表明其对高温日冕的形成可能有重要作用，有助科学家进一步揭示“日冕加热”难题。
陈亚杰解释说，太阳大气的底部温度约为5500℃，但最外层大气日冕却维持百万摄氏度的高温。日冕中的高温是如何产生并维持的？这是困扰太阳物理学界数十年的“日冕加热”难题，也是当代天文和空间科学领域最主要的未解之谜之一。
田晖指出：“2020年以来，国内外新一代太阳观测设备陆续投入或即将投入使用，未来几年里，基于这些设备能够提供的更多高质量观测数据，并结合当前最先进的计算机数值模型，我们对日冕加热这一难题的理解将得到极大提升。”
最新研究得到了国家自然科学基金委等的支持。