新知丨太阳上的“老忠实泉”
2021/7/18 8:00:00 中科院之声

     在美国黄石公园内有一个久负盛名的温泉，每间隔大约90分钟就会周期性地喷发一次，从不辜负游客的期待，所以被人们亲切地称之为“老忠实泉”(Old Faithful)。而在太阳上，重复性喷流事件也时有发生，2014年8月1日，一个位于前导黑子附近，具有周期性的喷流重复发生了至少六次，其周期约为五分钟，这堪称是太阳上的“老忠实泉”。最近发表在《天体物理杂志》上的对这一重复性喷流事件的研究进一步揭示了其中可能的物理本质。

    

    美国黄石公园内的“老忠实泉” ? 图源: 网络

     什么是喷流？喷流是宇宙中的重要现象，也是太阳大气中普遍发生的一类活动现象，指的是沿着开放磁力线快速运动的一束等离子体，其形态表现为倒Y型结构，在外形上类似“埃菲尔铁塔”。

     虽然它们不像太阳耀斑、日冕物质抛射那样令人瞩目，但是喷流的发生不可小觑。它们对于理解发生在太阳以及其他恒星上的活动现象起着重要的借鉴作用。通常，喷流的发生与磁场重联有关，代表太阳大气磁场能量的释放和向上层大气的能量传输过程，对于理解日冕加热问题有着重要的作用；同时，喷流事件也会伴随着耀斑、日冕物质抛射的发生，对日地空间环境和空间天气也会造成影响。

    

    2007年6月7日，ESA/NASA的SOHO卫星观测到了一次独特的极地日冕喷流，喷流中有明显的(磁场)旋转结构(左上和右上)。? 图源：NASA / STEREO, ESA&NASA / SOHO。

     喷流在太阳大气中无处不在，在活动区、宁静区以及冕洞区域都能观测到喷流的存在，并在各个太阳大气层中均能观测到，例如色球喷流、过渡区喷流以及日冕喷流。

     通常情况下，喷流所释放的能量为102o-1022焦耳，这种量级的能量相当于几十万颗百万吨TNT当量的核炸弹的爆炸，但这种能量在太阳上却只是九牛一毛。相关研究发现，部分喷流还具有旋转结构，旋转运动是喷流的一个典型的特征，这反映了磁能释放的过程。

     喷流的观测喷流内部含有多种温度成分的等离子体，早期在Hα波段观测到的是温度较低的成分，因此也被称为Hα冲浪(Hα Surge)。温度较高的成分可在紫外、极紫外波段观测到，被称为紫外/极紫外喷流，而温度更高的成分在X射线才能观测到，即为X射线喷流。不同的温度成分具有不同的动力学特征，在时间和空间上各具特征。

     对于喷流的观测，人们经历了一个漫长的过程。早在20世纪20年代，科学家就在地面利用Hα谱线观测到了喷流，在20世纪90年代之前，主要使用小口径的Hα望远镜和分辨率较低的空间设备。自90年代以来，一系列空间望远镜的发射，包括Yohkoh阳光卫星以及至今广泛使用的太阳动力学天文台(SDO)、太阳过渡区成像光谱仪卫星 (IRIS)等。同时，越来越多的地面大口径太阳望远镜投入使用。例如，瑞典的一米太阳望远镜(SST)，美国大熊湖的1.6米古迪太阳望远镜(GST)，中国云南的新真空太阳望远镜(NVST)以及美国夏威夷的丹尼尔·井上望远镜(DKIST)。这些高时空分辨率成像、光谱观测和立体探测不断增加我们对太阳喷流的认识，但仍然有许多未知之谜，例如喷流经常在同一个位置重复发生，经常还具有明显的周期性。

     太阳上的“老忠实泉”2014年8月1日，一个位于前导黑子附近，具有周期性的喷流重复发生了至少六次，其周期约为五分钟。美国大熊湖天文台的古迪太阳望远镜(GST)和太阳动力学天文台(SDO)卫星同时对这个喷流进行了观测。古迪太阳望远镜在氦10830埃波段获得了这个喷流的高分辨率成像图，图像呈现了目前为止喷流的最为清晰的精细结构。在能量释放过程中，太阳上的单重态的仲氦转变成三重态的正氦，因此，除了喷流底部和倒Y型结构处的增亮，喷流其他部分均表现为吸收特征。喷流由许多暗的细丝结构组成，细丝宽度接近望远镜的衍射极限(约100千米)，喷流细丝的足跟部扎根于光球米粒间隙之间。另外，氦10830埃的时序图直接呈现了由重联引起的物质双向流动。

     该喷流在10830埃(左上)、1600埃(左下)、304埃(中下)和131埃(右下)波段的成像图。在10830埃，喷流表现为暗的细丝结构。右上给出了喷流区域的10830埃流量曲线。从流量曲线可以看出，喷流重复发生了六次(即六次增强的吸收)。? 图源：GST / SDO

     喷流磁场演化过程

     喷流的触发和能量释放过程与磁场的演化过程密不可分，观测表明喷流的出现与磁通量的变化息息相关。

    

    磁环的中间形成了一个U形的磁场结构，即所谓的秃斑磁结构。在该处的磁中性线附近(绿色点处)，横向磁场的方向由负极指向了正极。? 图源：作者

     该喷流的磁场特征表现为一个特殊的磁场结构，这一磁场位型反映了一个U型磁结构的存在，俗称为秃斑。在矢量磁图的磁中性线附近，秃斑处的横向磁场由负极指向正极，而不是通常的由正极指向负极。根据非线性无力场外推结果，在磁中性线处，磁力线凹陷并与光球表面相切。

    

     由非线性无力场外推得到的喷流的磁拓扑结构，白色代表外推磁力线，红色区域代表磁连接性变化较大(电流较强)的区域。 ? 图源：作者

     综合多波段的成像观测和磁场分析结果，该研究提出了一个与秃斑磁场位型有关的重复性喷流的二维模型。

     在光球流动的作用下，在磁中性线附近形成一个U型结构的磁场位型，可延伸至光球高度，当U型结构两侧的磁力线逐渐靠近，发生第一步磁重联。重联后形成等离子团，在浮力作用下继续向上运动，逐渐靠近位于上方的开放磁场，引起第二步磁重联，在这一过程中形成双向流，这便是在氦10830埃波段的成像图上观测到的沿着向上和向下两个方向的重联出流。第二步重联发生后又重新形成了U型磁结构，这一结构将再次经历第一步磁重联过程，又循环往复以上重联过程。这一模型由此较好地解释了喷流的周期性。

    

    秃斑磁场位型中重复性喷流的二维模型 ? 图源：作者

     来源：中国科学院紫金山天文台

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