“出乎意料”——研究人员查明了太阳“类心跳”信号的神秘来源

诸平

Fig. 1 An illustration showing EOVSA capturing a pulsating radio burst from a solar flare. Credit: Sijie Yu of NJIT/CSTR; Yuankun Kou of NJU; NASA SDO/AIA

Fig. 2 Solar radio bursts are intense bursts of radio waves from the Sun, which are often associated with solar flares and have been known to feature signals with repeating patterns.

据美国新泽西理工学院（New Jersey Institute of Technology简称NJIT）2023年3月12日提供的消息， “出乎意料”——多国研究人员合作查明了太阳“类心跳”信号的神秘来源（“Unexpected” – Researchers Pinpoint Mysterious Source of Sun’s “Heartbeat-Like” Signals）。上述图1（Fig. 1）显示EOVSA从太阳耀斑中捕获脉动射电暴(pulsating radio burst)。

根据一项新研究，科学家们已经确定了太阳大气层中的一次太阳射电暴(solar radio burst)，其信号模式类似于心跳。相关研究结果于2022年12月12日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Yuankun Kou, Xin Cheng, Yulei Wang, Sijie Yu, Bin Chen, Eduard P. Kontar, Mingde Ding. Microwave imaging of quasi-periodic pulsations at flare current sheet. Nature Communications, Published: 12 December 2022. Volume 13, Article number: 7680. DOI: 10.1038/s41467-022-35377-0. https://www.nature.com/articles/s41467-022-35377-0

参与此项研究的有来自中国南京大学（Nanjing University, China）、中国南京现代天文与天体物理教育部重点实验室(南京大学){Key Laboratory of Modern Astronomy and Astrophysics (Nanjing University), Ministry of Education, Nanjing, China}、德国哥廷根的马克斯·普朗克太阳系研究所（Max Planck Institute for Solar System Research, Göttingen, Germany）、英国格拉斯哥大学（University of Glasgow, UK）以及美国新泽西理工学院（New Jersey Institute of Technology, Newark, NJ, USA）。

一个由中、德、英、美四国科学家组成的国际研究小组，在《自然通讯》(Nature Communications)杂志网站发表了他们对太阳表面上方5000多公里处的C级太阳耀斑发出的无线电信号源位置的发现。研究人员表示，这项研究的发现可以帮助科学家更好地了解太阳耀斑——太阳系最强大的爆炸——能量释放背后的物理过程。

该研究的共同通讯作者之一、新泽西理工学院（NJIT）日地研究中心(NJIT’s Center for Solar-Terrestrial Research)的天文学家于思杰(Sijie Yu音译)说：“这一发现出乎意料。这种跳动模式对于了解在太阳上这些令人难以置信的强大爆炸期间能量如何释放和消散在太阳大气中非常重要。然而，这些重复模式也称为准周期性脉动（quasi-periodic pulsations）的起源长期以来一直是一个谜，也是太阳物理学家争论的焦点。”

太阳射电暴(Solar radio bursts)是来自太阳的强烈无线电波爆发，通常与太阳耀斑有关，并且已知以具有重复模式的信号为特征。

在研究了2017年7月13日太阳耀斑事件的微波观测后，该团队能够发现这些模式信号的来源，这些信号是由新泽西理工学院名为扩展欧文斯谷太阳能阵列 (Expanded Owens Valley Solar Array简称EOVSA) 的射电望远镜捕获的，该望远镜位于美国加利福尼亚州大派因（Big Pine, Calif, USA）附近的欧文斯谷射电天文台 (Owens Valley Radio Observatory简称OVRO)。

EOVSA通常在1~18 GHz的广泛微波频率范围内观察太阳，并且对太阳大气中高能电子发出的无线电辐射敏感，这些电子在太阳耀斑中被激发。

根据EOVSA对太阳耀斑的观察，该团队揭示了射电暴，其特征是信号模式每10~20秒重复一次，“就像心跳一样”，该研究的主要作者、南京大学博士生寇元坤（Yuankun Kou音译）说。

研究小组在电流片的底部发现了强烈的准周期脉动(quasi-periodic pulsation简称QPP)信号，该电流片延伸超过了25000 km，穿过的核心耀斑区。在该区域，相反的磁力线相互靠近，断裂并重新连接，产生强大的能量为太阳耀斑提供动力。但令人惊讶的是，寇元坤说他们在耀斑中发现了第二次“心跳”。

寇元坤说：“太阳射电暴的重复模式并不少见。但有趣的是，有一个我们没想到的次要来源位于拉伸的电流片上，它以与主要准周期脉动（QPP）来源类似的方式脉动。”

于思杰补充道：“这些信号可能源自耀斑电流片上的准重复磁重联（quasi-repetitive magnetic reconnections），这是第一次检测到位于重新连接区域的准周期无线电信号。这种检测可以帮助我们确定两个来源中的哪一个导致了另一个来源。”

利用EOVSA独特的微波成像功能，该团队能够在该事件中测量两个无线电来源处的电子能谱。

新泽西理工学院物理学副教授、该论文的合著者陈斌（Bin Chen）说：“EOVSA的光谱成像为我们提供了新的空间和时间分辨的耀斑非热电子（nonthermal electrons）诊断方法。……我们发现主要QPP源中高能电子的分布与电子电流片（electronic current sheet）中次级QPP源的分布在相位上有所不同，这强烈表明两个QPP来源密切相关。”

继续他们的研究，团队成员将由该论文的另一位通讯作者、南京大学天文学教授程鑫（Xin Cheng音译）领导的太阳耀斑2.5D数值模拟与NOAA的GOES卫星观测到的太阳耀斑软X射线发射的观测结果相结合，测量了来自太阳大气中两个不同能带的软X射线通量。

程鑫说：“我们想知道电子电流片中的周期性是如何发生的，驱动周期性的物理过程是什么？它与QPP的形成有何关系？”

该团队的分析表明，电子电流片中形成了磁岛（magnetic islands）或类似气泡的结构，准周期性地向燃烧区域移动。

程鑫解释说：“长时间拉伸的电子电流片中磁岛的出现在调整这次喷发期间的能量释放率方面起着关键作用。这种准周期性能量释放过程导致高能电子的重复产生，在微波和软X射线波长中表现为QPP。”

最后，于思杰说，这项研究的发现为驱动这些爆炸性事件的重新连接过程背后的一个重要现象提供了新的思路。“由于耀斑电流片中的周期性重新连接，我们终于确定了太阳耀斑中 QPP的起源。……这项研究促使人们重新审视先前报道的QPP事件的解释及其对太阳耀斑的影响。”

该研究由中国国家科学基金会(National Science Foundation of China简称NSFC)资助（NSFC grants 11722325, 11733003, 11790303）；中国国家重点研发项目（National Key R&D Program of China under grant 2021YFA1600504）、德国亚历山大·冯·洪堡基金会（Alexander von Humboldt foundation）、美国国家科学基金会（US NSF grants AGS-1654382 and AST-2108853 to NJIT; US NSF grants AST-1910354 and AGS-2130832 to NJIT）的资助或者支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

(Kou Yuankun)Microwave Imaging of Quasi-periodic Pulsations at Flare Current Sheet.pdf

Abstract

Quasi-periodic pulsations (QPPs) are frequently detected in solar and stellar flares, but the underlying physical mechanisms are still to be ascertained. Here, we show microwave QPPs during a solar flare originating from quasi-periodic magnetic reconnection at the flare current sheet. They appear as two vertically detached but closely related sources with the brighter ones located at flare loops and the weaker ones along the stretched current sheet. Although the brightness temperatures of the two microwave sources differ greatly, they vary in phase with periods of about 10–20 s and 30–60 s. The gyrosynchrotron-dominated microwave spectra also present a quasi-periodic soft-hard-soft evolution. These results suggest that relevant high-energy electrons are accelerated by quasi-periodic reconnection, likely arising from the modulation of magnetic islands within the current sheet as validated by a 2.5-dimensional magnetohydrodynamic simulation.