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天网上的明珠:太阳II型射电暴研究进展

已有 7910 次阅读 2013-2-16 16:20 |系统分类:科研笔记| 激波, 太阳爆发, 射电暴

    《老子》曰:“天网恢恢,疏而不失。”,《魏书·任城王传》亦曰:“天网恢恢,疏而不漏。”。这两句的原意我们这里不管,此处只是借用天网一词和疏漏性质来描述太阳爆发中出现的激波现象。
     日地空间中充满着等离子体物质。在我们日常生活中,与这一物质性质最为接近的当属气体,如空气。只不过等离子体是一种电离的气体,由荷电粒子而不是原子组成。
    大家都知道超音速飞行的航空器在突破音障后会催生激波。由太阳日冕抛射出的高速物质在速度足够快时,同样会产生激波(也可俗称为冲击波,陨石坠落时便可驱动冲击波)。这个激波的空间尺度非常之大,在太阳附近便可轻松超过太阳大小;如果能够传播至地球附近空间,激波延展的尺度则有可能会达到几十甚至上百个太阳半径大小---确象一面由太阳撒向太阳系空间的巨大的“天网”!



SOHO卫星观测到的日冕物质抛射及驱动的激波特征。右图为左侧两图相减得到的差分图像,可以清楚看到白色抛射体前方存在一灰色晕状结构,这便是此抛射事件驱动的激波(由S指示)和激波后方的鞘层结构。中心白色圆圈为太阳光球表面。圆盘为SOHO卫星上搭载的LASCO-C2日冕仪的挡板。(图形取自Gopalswamy, 2010)
 
    这张天网上的物质密度非常稀薄---即很“疏”,这是由太阳系空间中的稀薄等离子体所决定的。在太阳附近大气中,每立方厘米可达上亿个荷电粒子;而在地球附近,每立方厘米仅为几个荷电粒子。在正常状态下,每立方厘米空气中则能包含10^19量级的粒子数,由此可以想象日地空间中气体的稀薄程度。
    这张天网又是漏的。空间中的等离子体物质并不会被这张网兜住并随之一起运动,而是漏过它。漏过激波的等离子体的性质会发生改变。被激波处理过的等离子体都会变得更热、更密(即被激波加热和压缩)。
     激波还是空间中荷电粒子的有效加速场所!不管是对带负电的电子还是正电的离子都是如此。当然,加速的具体物理过程、能够达到的粒子能量等,与激波和粒子的性质、周围背景物质和电磁场的性质有密切关系。激波如何加速带电粒子的问题一直是空间物理中非常关键的一个大课题,由此分出了很多研究内容;然而,时至今日,还没有得到彻底解决。
    当电子被激波加速到一定能量,就会在等离子体中激发出等离子体振荡,并发射电磁波。此类电磁波的频率处于几百兆至几十千赫兹之间,波长则在厘米至公里范围内,对应于射电频段。早在上世纪50年代,科学家便已经发现此类来自太阳的射电辐射信号,并称之为太阳II射电暴(Wild, 1950)。
    太阳射电暴可以通过动态频谱仪记录下来。仔细分析射电观测数据,研究人员可以反推产生射电爆发的激波传播速度、强度等性质。因此,在空间天气的研究中很有用处。自然,激波-电子加速和射电辐射激发的物理过程本身也是非常有趣的科学研究课题。


动态频谱仪记录到的2007年12月31日发生的多支II型射电暴(纵坐标:频率,横坐标:时间,颜色:辐射强度)。右图为左图相应区间的放大显示。
 
    动态频谱仪是II型射电暴研究主要的数据来源。这类数据有一明显缺点,就是不具备空间位置信息,即仅从动态谱数据上推断不出射电源区的位置。射电日像仪是一种可以在特定射电频段上成像的仪器;工作频段通常较高,如超过百兆赫兹;在几十兆赫兹频段上工作的日像仪的空间分辨率不够高,通常难以得出这些频段上II型射电暴源区的位置和大小信息。即便可以得到一些信息,又常会因为没有同时间的激波成像观测而无法确定源区与太阳爆发的物理关联。因此,有关研究的一个重要未决的基本问题就是如何确定II型暴的源区位置和大小、激波性质等。
    在刚刚被美国天体物理学研究杂志《the Astrophysical Journal》接受发表的论文(Feng et al.)中,课题组采用了一种新的诊断II型射电暴源区性质的方法。该方法将射电谱形的特征与在白光、紫外波段的太阳成像观测中的物理过程建立关联,从而达到判断射电源区物理性质的目的。该工作所研究的是II型暴动态谱上的隆起,对应的物理过程是CME激波穿越高密度的冕流结构。由于II型暴射电频率主要由等离子体的数密度决定,因此,在射电源区穿越高密度结构时,谱形会出现隆起。这使我们得以判断出II型暴源区位置。
    还有一个收获,也是本文立意所在。根据谱形隆起特征的抬升时间(~1分钟)乘以观测到的日冕激波运动速度(~600 km/s),便可以估算出射电源区的空间尺度。计算表明,射电源区在几十兆赫兹波段上尺度小于0.05个太阳半径,远小于此时激波面(天网)的尺度。II型暴发生时,辐射强度常会超越背景1至多个量级。因此,看起来射电源就像是镶嵌于激波面(天网)上的一颗或多颗耀眼明珠。注意,利用目前任何射电日像仪都无法在几十兆赫兹频段上解析如此小的源区尺度,这也说明了该工作所采用方法的独特效能。

    有关工作由山东大学空间科学研究院、中国科学院国家空间科学中心、美国Alabama大学和Arizona大学研究人员合作完成,受到国家自然科学基金委、科技部973项目的支持,将于近期发表 (Diagnostics on the source properties of type II radio burst with spectral bumps, S.W. Feng, Y. Chen, X.L. Kong, G. Li, H.Q. Song, X. S. Feng, & Fan Guo, the Astrophysical Journal, 2013)。



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