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太阳爆发活动都是“团伙作案” 环形耀斑与日冕变暗有关?

2020-04-27 11:24:20    来源: 科技日报

在黑暗寒冷的太空中,如果不是“熊熊燃烧”的太阳带来光和热,地球将是一片死寂。

但是,性格暴烈的太阳,时不时也会给我们制造一点小麻烦,太阳大气的局部区域会在短时间内释放大量能量,也就是我们常说的太阳耀斑。

太阳耀斑不仅会引起其局部区域瞬时加热,还会向外发射各种电磁辐射,并伴随粒子辐射的突然增强,从而影响地球的通信、导航甚至航空航天。

中国科学院紫金山天文台研究人员与国内同行合作,利用美国太阳动力学天文台(SDO)卫星搭载的大气成像仪(AIA)和日震磁像仪(HMI)的多波段观测数据,详细研究了2015年10月16日在编号12434的活动区发生的一个M级环形耀斑,发现耀斑所在区域和附近并没有明显的暗化,却在距离该耀斑约18万千米的宁静区出现了远端日冕暗化现象。近日,该研究结果发表于《天文与天体物理》杂志。

关于环形耀斑科学家知之甚少,而对于环形耀斑与日冕暗化关系的研究也非常欠缺。这两者同时出现,引发了科学界的关注。耀斑与其他太阳大气现象之间是否还存在其他关联?日冕区域暗化意味着什么?大面积暗化区域物质去向哪里?

剧烈的能量释放过程

太阳看起来就像一颗刺眼的大火球。天文望远镜诞生后,科学家们才可以逐渐开始研究太阳发出的光,研究太阳表面黑子,并在日食期间观察日冕。

直到1859年,英国天文爱好者理查德·卡林顿在观察太阳时,跟踪一个巨大的太阳黑子,他观测到一个前所未见的现象:一个“白光耀斑”,强烈明亮,在整个黑子中移动了大约5分钟,然后完全消失。

这是人类第一次观测到太阳耀斑。之所以称之为耀斑,是因为它们看上去是一些非常光亮的区域,其温度高达上千万摄氏度,最长持续几个小时。

“太阳耀斑是发生在太阳大气局部区域,通常是黑子周围活动区的一种剧烈能量释放过程,是太阳大气活动的重要形式之一。”中国科学院紫金山天文台副研究员张擎旻告诉科技日报记者。

耀斑的能量相当惊人,一个耀斑所释放的总能量可达约1022—1025焦耳,相当于1.5亿至1500亿颗广岛原子弹同时爆炸释放的能量。耀斑的能量源自太阳表面积累的磁场自由能,在短时间内这些能量通过一种叫做磁场重联的机制快速转换为等离子体的热能、动能以及辐射能,并产生大量高能粒子。

现在,科学家已经可以通过地面和空间的大型太阳望远镜在射电、红外、可见光、紫外线,甚至是伽马射线等全波段观测到耀斑。

目前人们观测到的、形态比较规则的耀斑包括两类,一种是双带耀斑,这是最常见、研究最成熟的一类耀斑,它们在太阳低层大气呈现两条近似平行的亮带,在日冕中呈现出拱形热环;另一种是环形耀斑,是美国太阳过渡区与日冕探测器发现的一种特殊耀斑,通常由一个圆形或椭圆形亮带和内部致密的亮带组成。

各类活动彼此关联

对于太阳来说,耀斑并不是孤立存在的,太阳大气中的各类活动彼此之间有着密切联系。比如,太阳黑子释放其磁能量时产生耀斑,而耀斑往往与日冕关系密切。

统计研究表明,能量越大的耀斑越容易伴随太阳表面的另外一类爆发活动——日冕物质抛射(CME)。顾名思义,日冕物质抛射就是指日冕在很短的时间内向行星际空间抛射大量磁化等离子体的过程。这些等离子体的质量可达百亿吨,最高速度可达3000千米/秒。

因此,科学家将那些伴随着CME的耀斑,称为爆发耀斑,没有CME伴随发生的耀斑称为约束耀斑。这也直观地体现了耀斑的能量大小。其实,耀斑和CME都是太阳表面最剧烈、能量最高的爆发活动,也是产生灾害性空间天气的重要源头。

耀斑和CME产生的高能辐射以及磁化等离子体经过长途跋涉,到达地球附近时,对地球周围磁场及电离层产生强烈扰动,进而对航天器、通信、导航等产生影响。

日冕暗化,也是与太阳耀斑爆发或者CME相关的另一种大尺度活动。

据观测,日冕暗化表现为局部日冕在极紫外和软X射线波段辐射的快速变暗和缓慢回升,整个过程可持续几小时到十几小时。日冕暗化的区域先快速扩展然后缓慢收缩,最大面积可达数万平方兆米。

“日冕暗化主要是由耀斑和CME导致的密度降低引起的,因此我们可以根据日冕暗化的光谱变化,大体估算CME带走的物质。”张擎旻介绍说。

科学家认为,研究日冕暗化对于空间天气预警和预报有一定的指导意义,但目前关于环形耀斑与日冕暗化关系的研究还非常欠缺。

或因区域物质密度降低

在此次研究中,科学家发现,耀斑与远端日冕暗化区域由大尺度闭合磁力线相连接,证明二者有着紧密联系。

据专家介绍,这个远端日冕暗化的变化过程大致分三个阶段:首先,在耀斑硬X射线到达峰值前数分钟,出现微弱的暗化;之后,长而窄的远端日冕暗化发生了,在几乎所有极紫外波段都可以观察到,而耀斑区域本身并没有明显变化。随后,大面积的暗化逐步向东南方向延伸,面积缓慢增加,部分暗化区域最大相对亮度降低90%;最后,暗化面积逐渐缩小。

通过估算,整个演化过程持续约8小时。同时,这次远端日冕暗化的特性,比如面积、亮度、持续时间等,与CME引起的暗化很接近。

“这一次的发现与以往的观测都不太一样,很难用现有理论做出完美解释。”张擎旻认为,远方日冕变暗的原因,推测可能是这些区域物质密度降低,而非温度变化。

在此之后,科研人员又找到了几个类似事件,说明这种现象并非个例。

但是,为什么耀斑会引起太阳大气变化?消失的物质又去了哪里?现在还是未解之谜。

无论是耀斑还是CME,都会对地球造成巨大影响。在理查德·卡林顿首次观测到耀斑大约18小时后,地球上出现了有记录以来最大的地磁风暴;世界各地都观测到极光;在古巴、夏威夷等赤道附近区域,人们将看到的极光称为“绿色窗帘”;电报机在断开连接的情况下,因为感应电流而引起震动。

如果今天发生这样的事件,大量电力和电子基础设施将遭受毁灭性的打击,造成损失可能高达数万亿美元。

想要准确预报并减轻空间天气事件造成的损害,方法只有一个——弄清楚太阳表面究竟发生了什么,而这项研究为我们能够更多地了解这个脾气不太好的邻居,又向前迈进了一步。( 张晔)

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