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黑子旋转推动太阳爆发

已有 6371 次阅读 2014-2-24 08:34 |系统分类:科研笔记

    谈到黑子,就得提到中国古代的有关记载。例如,有学者认为,殷商甲骨文字中的一点()就表示太阳黑子;公元前140年前后成书的《准南子·精神训》中有日中有蹲鸟的记载;又据《汉书. 五行志》载:西汉河平元年(公元前28 年)“河平元年……三月己未,日出黄,有黑气大如钱,居日中央”。这些文字是中国古代天文学家基于长期观测描述的“印象”黑子,是公认的关于太阳黑子的最早记录。在欧洲,关于太阳黑子的最早纪录是在8078月,当时还被误认为是水星凌日的现象;直到伽利略于1660年发明天文望远镜后,才确认黑子的存在。现代太阳物理研究告诉我们,黑子是太阳上的强磁场聚集区,常一对对出现,每对的磁极都是一正一负的,而且太阳表面上的正负磁力线的数目是精确相等的。因此,黑子是“阴阳调和”的典型客体。

  除磁场外,太阳大气的主要特征是:太阳内部和外部大气都处于主要由运动电荷构成的高温等离子体状态。作为等离子体的一个基本属性,就是与电磁场强烈耦合。事实上,电荷产生电场,电荷的运动即电流产生磁场,电场施力于电荷,磁场施力于电流,电荷和场之间的作用可用“你中有我、我中有你、你我相濡以沫”来形容。太阳的磁场是由太阳内部等离子体的运动产生的,浮出太阳表面后,延展布满至整个太阳大气和广袤但有垠的行星际空间。磁场可视为太阳大气的主人,控制着太阳大气等离子体的结构(分布)、能量的输送积累与释放。

  黑子是强场区域。观测表明,黑子上空是太阳活动集发区域,称为活动区。多数太阳爆发事件源自这个区域。因此,黑子在太阳爆发现象中至关重要。黑子及周边区域随时演化,与太阳内部的对流湍动有关。早在百年前(~1910),英国太阳物理学家John Evershed便发现了太阳黑子有旋转的迹象。我国科学家云南天文台丁有济研究员也在上世纪70-80年代对黑子旋转及其与太阳爆发的关系作了许多研究。

  中学物理告诉我们,磁力线的数目代表着磁场强度。因此,太阳表面和大气中有相当部分磁力线是植根于黑子和邻近区域的。可以想象,黑子一转,就如同攥着一大捆毛线,将之扭成绳索,而且越拧越紧(“团结就是力量”)。对此,太阳和空间物理学家有一个很形象的名字:磁绳。扭缠使得磁场增加了扭缠方向的分量,能量必然增加。如何去证实这个磁绳结构的存在,目前也都还是很困难的。原因是目前仍无法直接测量日冕中的磁场,只能通过等离子体辐射结构的观测表现间接去推测。

        暗条是一常被用来表征磁绳存在的冷而重的太阳低层大气结构。暗条在太阳盘面上方时,会吸收光球发出的明亮辐射,呈暗;位于太阳边缘上空时,则发射辐射,呈亮,亦称为日珥。暗条中常观测到一根根分离的纤维结构,彼此间表现出一定的缠绕特征,据信与暗条的磁场缠绕对应,可能是看不见的磁绳结构的一部分。暗条很重,密度比周围大气高十到百倍,如同悬浮于水中的铅球(!?)。扭缠磁绳的底部常被视为是支撑暗条重量的主要结构,依靠磁场的力量使之不至于跌向太阳表面。

        从上面的多头描述中,细心的读者会感觉到旋转黑子、暗条磁绳还有太阳爆发之间的可能关系。不错,这正是这篇报告的精义所在。

        最近观测技术的进步,使得有可能更加深入地探究这一关联。要知道,黑子可是光球上观测的现象,暗条是扎根于光球但向日冕延伸的结构,而太阳爆发特别是日冕物质抛射现象多是由距离日心~1.5--2个太阳半径以外才能被日冕仪观测。而且,不同观测数据之间的同时性、拍摄速度(即时间分辨率)的快慢等均未必满足要求。这一时空的间隔或差异,使得黑子旋转,尽管有着百年研究历史,在日冕物质抛射初发过程中的作用一直没有得到很好的实证分析。

        利用SDO(太阳动力学观测台)卫星的科学数据,我们发现了一例扎根于黑子处的扭缠暗条,黑子在持续至少6小时的时间内,旋转60度之多;暗条经缓慢抬升(注:这一抬升与黑子的旋转对应很好)后,最终被剧烈加速抛出,产生了明亮的X2.1级大耀斑和速度达每秒钟1000公里以上的日冕物质抛射现象。

        黑子强场区域,磁力线密集排布。黑子一拧,磁力线缠绕加剧。越拧越紧,终将崩溃:如同两人齐心协力拧床单,如果读者有此经验的话,最终,床单由中间呈麻花状鼓出,作崩溃状。将太阳上磁绳崩出的力是磁场作用于电流(等离子体中磁场的扭缠可驱动电流)之上的力,俗称安培力!这一力作功后,便将磁绳加速,磁能转化为动能,形成快速运动的日冕物质抛射;还有相当部分能量,通过电场对电荷的加速作用,转移到高能粒子之上,高能粒子轰击太阳大气的系列过程便产生了各波段辐射剧增,有些被观测为耀斑现象。这一工作给出了“黑子持续旋转--扭缠暗条缓升--太阳剧烈爆发(耀斑和日冕物质抛射)”连锁过程的很好实证;特别地,应是首次清楚地论证出黑子旋转与日冕物质抛射的直接驱动关系。爆发中,释放的总磁能达到3.5X10E31 尔格,对应于几十亿颗广岛原子弹的爆炸能量。让人满怀畏惧,却又肃然起敬!

        本工作已被美国天体物理学杂志接受(Ruan,Chen, Wang, et al., ApJ, 2014),将于近期发表。是由山东大学空间科学研究院、美国新泽西理工学院、国家天文台、美国阿拉巴马大学亨斯维尔分校和英国Aberythtwyth  大学的科研人员合作完成的,受到了科技部973项目、国家自然科学基金委等项目的支持。本短文主要完成于由澳大利亚Perth Melburne的航班之上,感谢空飞工作人员使我们安全顺利抵达,使该文得以成功发表(在我的博客上)

 

1、本工作研究的太阳爆发事件。从a f依次为:太阳黑子、磁场分布、耀斑爆发前后94 A(波长)图像、日冕物质抛射事件。



2、太阳黑子与日珥的三幅照片,展示黑子旋转过程与日珥抬升过程之间的对应关系。


3、描述黑子旋转推动太阳爆发物理模型的卡通图示。图中彩色曲线为磁力线,PIL代表磁场极性反转线。




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