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太阳爆发中的磁岛并合与电子加速

已有 7943 次阅读 2012-5-26 21:38 |系统分类:科研笔记| 空间天气, 太阳爆发, 磁场重联, 电子加速

 

    磁场在太阳大气、乃至整个日地空间和太阳系中都扮演着举足轻重的角色。我们知道,带电粒子在磁场洛仑兹力作用下要做迴旋运动,这就像有根无形的绳子拴着一样,粒子紧绕在力线周围。可见,足够强的磁场能够控制其中等离子体的行为和分布。

    关于磁场的另外一个关键考量是,在太阳大气中,磁场能量常在各能量形式中占有主要份额。不同能量形式之间可以互相转化,如磁能可转为等离子体的能量。磁场重联 (magnetic reconnection)就是一种可以实现这种能量转化的有效方式,它描述的是当不同极性的磁力线挤靠在一起所发生的类似于电路短路的磁场"短路""湮灭"的现象。"湮灭"过程将快速释放出磁场能量,转为粒子的热能和动能。

    毫无疑问,这样一个过程引起了几乎所有空间物理学家的关注。大家也急于认识和了解其中的细节:如重联是如何触发的、磁能的释放和转化是怎么发生的、所产生的高能粒子又是如何被加速的等等。

    其中,重联中电子加速问题的研究既具有基本的科学意义,又具有现实的应用价值。这是因为高能电子可以引起太阳辐射增强,如产生耀斑和射电爆发,进而影响电离层的状态和依赖这些状态的通讯导航等业务高能电子也可以击毁卫星设备或造成各类损伤,甚至可穿透宇航服,威胁宇航员身体健康 ......

 

    这个加速问题就是我们这里要研究的了。

    重联中的电子加速机制可以分为两类,一是X型加速,一是O型加速。前者是电子在重联区被磁场剧烈变化所诱发的感生电场直接加速,重联点多具字母"X"形,故得此名;后者是最近通过数值研究提出的 (Drake et al., Nature, 2006),主要是指电子在重联磁岛两端被磁岛的收缩反而得到加速,可类比于用乒乓球拍打球时球被加速的过程,由于发生于"O"形磁岛内部,而被称为O型加速。最近的理论研究还发现,邻近磁岛靠拢并融合的并合过程 (又称为反重联)可以同时具有上述两种加速机制的一些特点,很可能是各类重联电子加速机制中最为重要和有效的(Oka et al., ApJ, 2010)

    2006年之后,利用NASA ESACLUSTER空间探测器,研究人员在地球磁层中发现了重联磁岛和与之有关的电子加速现象。这些发现,在Nature PhysicsPRL等极具影响力的期刊上报道 (Chen et al., Nature Physics, 2006; Wang et al., PRL, 2010),受到了国际空间物理学界的重视。然而,在世界上还没有哪个研究组在空间中观测到磁岛并合过程及其关联的高能电子。

 

2010523日爆发的一次日冕物质抛射(CME)事件为我们提供了一次罕有的太阳附近研究磁岛并合与电子加速的机会。

用于观测CME三维形态的STEREO双子卫星(1)拍摄到了整个过程:CME爆发后,在下方拉扯出一条很长的电流片--射线状结构,并观测到两个非常明显的磁岛,由于二者之间的速度差异,后面的磁岛追上前者,并随后为一体向外运动。这是非常典型的重联磁岛的并合过程,可在图2中很清楚地看出。

那么这个过程有没有电子加速呢?

高能电子本身固然难以被飞船直接探知,但在等离子体中运动的高能电子可以激发射电信号,从而被飞船上搭载的射电频谱仪捕捉到。同时,因为这些射电信号的频率可以很好的反映等离子体的密度,所以根据这些信号我们也能对高能电子产生的高度做一些了解。反之,根据磁岛的高度和常用的太阳大气密度模型,我们也可以推测可能的辐射频率。

果然,STEREO-A 在恰当的时间、合适的频段上观测到了一支快速漂移的射电信号(2)。这种漂移是由高能电子远离太阳的快速运动引起的。

这里,还有两个非常重要且有趣的物理细节需要补充。

就在射电信号被捕捉到之前,我们观测到磁岛上方出现裂口,可能由于磁岛并合后运动加快而与上方磁场发生了重联。这使得高能电子可以从闭岛之中逃逸进入开场区域。一般认为在开放场中运动的高能电子更容易满足射电辐射的激发条件。

还有,在并合之前,第一个磁岛看上去发生了分裂,裂成花生状结构。我们认为,这里也发生了一次重联:磁岛的拉长变形使其中部方向相反的磁场靠在一起而发生重联和分裂(2)

这样,整个事件中至少有三处发生了磁场重联,这是非常难得的。卡通图给出了我们对这些重联过程的诠释;使用日冕磁绳数值模型所计算出的日冕物质抛射过程和尾随电流片结构上的多个磁岛的产生和并合过程,也与观测事件的总体形态和运动参数很好地吻合(3)。而对加速电子能量的估算表明:产生射电信号的高能电子主要是在磁岛并合过程中得到加速的。

 

    这项工作由山东大学空间物理课题组与美国阿拉巴马大学空间等离子体研究中心的五位研究人员(宋红强,陈耀,李刚,孔祥良和冯士伟)共同完成。世界上第一次观测到了太阳附近磁岛并合的物理过程和有关的高能电子射电信号,为太阳耀斑和CME中磁岛并合过程可以有效加速电子提供了观测依据,对我们理解重联过程和高能电子的产生机理具有重要意义。论文题目为《Coalescence of macroscopic magnetic islands and electron acceleration from STEREO observation已被美国物理学会(APS)新创期刊Physical Review X (PRX: http://prx.aps.org/) 接受,将于近期发表。这项工作得到了国家自然科学基金委海外及港澳学者合作研究基金、杰出青年基金和面上项目以及科技部973计划等的共同资助。

 

值得一提的是,此处演示的数值模拟工作是在数据分析之前就已经获得的。当时计算程序历时数周才给出爆发过程的完整演化序列。在得到结果时作者正忙于其它事务而未仔细盘点。在发现观测事件之后,我们于去年(2011811日决定重新查阅以往的计算结果,才惊讶地察觉所发现的磁岛并合早已在模型之中计算出来。令人不能置信的是,模型计算结果的日期竟然是2008811日,与我们决定重新查阅数值计算的日期恰是同一天,只不过整整迟了三年,令人不禁唏嘘。

还有一可能创立纪录的逸事:作为APS20111月才发布的学术期刊PRX秉承了Physical Review系列刊物的一贯宗旨,对文章的审稿过程慎之又慎。这篇文章先后约请了13位审稿人,前11位审稿人因为种种原因都未能评审。文章直到第12和第13个审稿人才开始正式评审。审稿过程中,两位审搞人提出了很多有益的审稿意见,我们深表感谢。另外对编辑的严谨求实,精益求精的态度我们也深有体会。

1 STEREO A-B双子卫星的轨道图。其中,STEREO-A卫星的轨道半径略小于地球,STEREO-B略大于地球,这一专门设计的轨道差异使得两颗卫星每年远离彼此大约45度,到2015年时两星将几乎同时到达日地连线的背日侧。

 

2 STEREO卫星于2010523日在日冕物质抛射事件尾随射线结构上所观测到的磁岛的分裂和并合过程;左下图为对于所观测到的三组可能重联事件的理解;右下图为关联的高能电子激发的射电信号。

 

3 使用日冕磁绳数值模型开展的日冕物质抛射数值模拟。图中显示出日冕物质抛射尾随电流片结构上的多个磁岛的产生和并合过程,与观测事件的总体形态和运动参数很好地吻合。图中纵坐标以太阳半径为单位,颜色给出速度大小,白线代表磁力线。

 

注:本文记录的工作已在中国科学报5月16日的基金版(http://news.sciencenet.cn/dz/dznews_photo.aspx?id=14422)和国家自然科学基金委网站(http://www.nsfc.gov.cn/Portal0/InfoModule_375/48782.htm)同时登出,此处为中国科学报编辑修改之前的原文



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