中國科大日地空間物理研究團(tuán)隊(duì)在太陽爆發(fā)活動(dòng)的研究中取得重要進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)爆發(fā)結(jié)構(gòu)在早期爆發(fā)過程中發(fā)生了復(fù)雜的重構(gòu)演化，研究成果以“Complete replacement of magnetic flux in a flux rope during a coronal mass ejection”為題，于2023年5月4日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Nature Astronomy》。
太陽爆發(fā)活動(dòng)的一個(gè)主要表現(xiàn)形式是日冕物質(zhì)拋射（coronal mass ejection;或CME），即太陽大氣中緩慢積累的磁能在短時(shí)間內(nèi)被劇烈地釋放出來，將局部大氣加熱到上千萬度——被稱為耀斑，并產(chǎn)生大量高能粒子，同時(shí)上億噸攜帶著磁場(chǎng)的日冕物質(zhì)被拋射到行星際空間。在接下來幾天內(nèi)，它將擾動(dòng)整個(gè)太陽系的空間環(huán)境，尤其是影響現(xiàn)代社會(huì)中的各種高技術(shù)系統(tǒng)，包括航天、航空、通訊、電網(wǎng)等。自上世紀(jì)70年代被發(fā)現(xiàn)以來，日冕物質(zhì)拋射一直是太陽和日地空間物理關(guān)注的焦點(diǎn)。在經(jīng)典圖像中，太陽爆發(fā)的核心結(jié)構(gòu)是由螺旋纏繞的磁力線構(gòu)成的磁繩；在爆發(fā)開始后，磁繩周圍的磁力線通過磁場(chǎng)重聯(lián)轉(zhuǎn)化為螺繞的磁力線，包裹在原有磁繩之外，導(dǎo)致其以“滾雪球”的方式迅速長(zhǎng)大，預(yù)期形成具有規(guī)則纏繞形態(tài)的拋射磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。然而，各種近地和行星際飛船在“原位”探測(cè)到的太陽拋射物中，只有一小部分（僅約三分之一）具有預(yù)期的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其余則與經(jīng)典圖像存在較大偏差。
圖1.爆發(fā)前磁繩結(jié)構(gòu)的形成
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)發(fā)生在2014年教師節(jié)的日冕物質(zhì)拋射事件進(jìn)行了深入研究，經(jīng)過多方探索和仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)爆發(fā)前形成的磁繩結(jié)構(gòu)在爆發(fā)過程中經(jīng)歷了一系列復(fù)雜的剝蝕、瓦解和重建。觀測(cè)證據(jù)表明，爆發(fā)前具有S形結(jié)構(gòu)的磁繩從小尺度的“種子”發(fā)展而來（圖1），這一過程也為研究團(tuán)隊(duì)前期的研究成果（Wang et al. 2017, Nature Communications; Gou et al. 2019, Science Advances）提供了不同角度的重要佐證。爆發(fā)開始時(shí)，磁繩的足點(diǎn)被低層大氣中一個(gè)梯形的亮帶清晰地勾勒出來（圖2）；在隨后的劇烈爆發(fā)過程中，爆發(fā)結(jié)構(gòu)的足點(diǎn)由于物質(zhì)缺失表現(xiàn)為日冕中的暗化區(qū)（圖2）。伴隨著太陽色球耀斑帶的高度動(dòng)態(tài)變化和日冕暗化區(qū)域的隨之漂移（圖3），爆發(fā)結(jié)構(gòu)的足點(diǎn)位置發(fā)生了劇烈的遷移，與爆發(fā)前磁繩的足點(diǎn)區(qū)域幾乎沒有交集（圖2）；而根據(jù)經(jīng)典圖像，表征爆發(fā)結(jié)構(gòu)足點(diǎn)的日冕暗化區(qū)本應(yīng)覆蓋原有磁繩的足點(diǎn)。耀斑帶末端則呈現(xiàn)極度不規(guī)則的形態(tài)以及來回拉鋸式的運(yùn)動(dòng)（圖3），揭示磁繩內(nèi)部以及磁繩與周圍磁場(chǎng)間發(fā)生著復(fù)雜的三維磁場(chǎng)重聯(lián)。這些現(xiàn)象表明，爆發(fā)過程中的三維磁場(chǎng)重聯(lián)將原有磁繩的磁通量幾乎完全替換。這一研究揭示了以前鮮有報(bào)導(dǎo)的復(fù)雜三維磁重聯(lián)的細(xì)節(jié)過程及其在日冕物質(zhì)拋射形成中的重要作用，同時(shí)為行星際空間復(fù)雜拋射結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生提供了新的物理解釋，也為空間天氣預(yù)報(bào)帶來啟示。
圖2.爆發(fā)前磁繩足點(diǎn)與爆發(fā)結(jié)構(gòu)的足點(diǎn)幾乎無交集，表明磁繩中的磁通在爆發(fā)過程中通過磁場(chǎng)重聯(lián)被完全更替。
圖3.爆發(fā)過程中色球耀斑帶隨時(shí)間的劇烈動(dòng)態(tài)演化
該項(xiàng)工作第一作者為中國科大地球和空間科學(xué)學(xué)院原特任副研究員茍廷玉，現(xiàn)在美國哈佛-史密松天體物理中心工作。茍廷玉和科大劉睿教授為文章共同通訊作者。合作單位包括奧地利格拉茨大學(xué)、美國新罕布什爾大學(xué)、中科院國家天文臺(tái)、深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室等。該項(xiàng)研究工作得到了基金委杰出青年科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41550-023-01966-2
（地球和空間科學(xué)學(xué)院、科研部）
