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中国科学院空间中心揭示太阳微爆发的特征和机制

科学网 2023-08-27 16:41:52

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随着观测能力的不断提高，太阳上无时无刻不在发生的微观爆发现象越来越成为科学家竞相追逐的热点问题。因为这些微爆发与困扰太阳物理界的日冕加热、高能粒子辐射、太阳风起源等重大科学问题密切相关，他们包括纳耀斑、微暗条爆发、日冕喷流以及最近引起热议的"营火"（campfires）现象等微小太阳爆发。最近由“帕克太阳探测器”（Parker Solar Probe, PSP）在靠近太阳的位置捕捉到了微小太阳高能粒子（SEP）事件，而距离太阳1天文单位的观测数据中并未发现它们的踪迹，这与常规太阳爆发所释放的SEP有所不同。那么这些微小的SEP来自哪里呢？有人提出它们可能来自于接近观测极限的小尺度太阳爆发。此外，除了释放高能粒子外，这些小尺度爆发还可能对太阳风的质量增加起重要作用。

随着欧洲航天局（ESA）的“太阳轨道探测器”（Solar Orbiter, SolO）在2020年2月发射进入太空，人类对太阳的近距离成像观测进入了一个全新的时代。最近，中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室刘颍团队的王瑞副研究员利用Solar Orbiter的极紫外高分辨率成像仪（HRIEUV）的早期数据和SDO的多通道成像仪（AIA），对由小尺度太阳爆发引发的微小日冕暗化现象进行了细致研究。

图1 Solar Orbiter和SDO的联合观测。（a）行星和航天器的太阳系位置图示。（b-d）不同视场中微小日冕暗化区域的HRIEUV观测。（e）HRIEUV耀斑后环结构。（f）SDO/AIA 1600?中的耀斑带。（g）SDO/HMI的视向磁场。

图1展示了HRIEUV的高分辨成像能力，像素尺寸为0.492角秒，相当于217公里的日面尺度，微小日冕暗化区域约为34 Mm。右侧列显示了小尺度爆发的尺度仅为约10 Mm，可以通过图1e的HRIEUV图像分辨出爆发后产生的耀斑后环结构，这通常被认为是由于CME上升并拉伸背景磁场导致的遗留磁环顶部增亮结构，这为微小CME伴随爆发的证据提供了强有力的支持。结合AIA的紫外观测，观察到了磁环足点处的增亮结构，这也是CME产生的典型耀斑双带结构。对于我们最感兴趣的日冕暗化区域，通过DEM方法反演处理极紫外数据，我们可以估算出物质抛射的质量变化。

通过联合SDO/AIA的多通道观测，采用差分辐射测量法（DEM）来反演温度分布。结果显示（图2），“心形”暗化区域并不是由于温度变化导致的变暗，其温度几乎恒定在3MK以下这一典型的日冕暗化区域温度。并且通过DEM反演，我们得到了较为准确的暗化区域密度变化，这一密度变化反映了由于CME爆发导致的质量损失，约为(1.65 ± 0.54) × 1013克。

图2 日冕暗化区域的DEM分析。（a-d）四个典型时刻的AIA0.7MK DEM的时间演化。（e-f）耀斑区域和心形暗化区域的归一化EUV光变曲线。（g）暗化区域内平均密度和温度时变曲线。

基于以上结果，该小尺度爆发释放了约1027尔格的自由能，同时将约1013克的物质抛向太空。Torus不稳定性分析表明，该类爆发由于多发生在太阳宁静区，所以背景磁场对低日冕的微小CME束缚较弱，非常有利于CME从爆发源区的逃逸。然而，当爆发CME进入中层日冕区域时，处于更高位置的冕流带可能对CME逃逸到高层日冕进行二次阻拦。在STEREO-A/COR2的视场，观测到多束窄带等离子体团向行星际空间传播。最新研究表明，中层日冕区域可能通过一种复杂的网络结构来驱动慢速太阳风的传播，这为此次研究物质和能量的向外输运提供了一种可能。另外，该工作还提供了类似事件的一个Solar Orbiter观测列表，供感兴趣的读者参考。

该研究成果已在线发表于The Astrophysical Journal Letters。此项研究揭示了太阳宁静区的微爆发特征及其机制，对于理解太阳爆发的尺度分布、日冕加热、高能粒子辐射等问题具有重要意义。同时，研究团队的成员是国家重点研发项目——太阳极区和抵近探测中的关键科学问题研究的骨干成员。这项工作为我国太阳抵近探测研究提供了良好的预研和铺垫，为自主研发高分辨太阳探测卫星提供了宝贵的科学数据参考和经验积累。

Citation:

Rui Wang, Ying D. Liu, Xiaowei Zhao, and Huidong Hu, Observations of Mini Coronal Dimmings Caused by Small-scale Eruptions in the Quiet Sun, 2023, The Astrophysical Journal Letters, 952, L29 (https://doi.org/10.3847/2041-8213/ace437)

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