太阳爆发“双响炮”

时间:2017-05-22 11:31:58
频道:天文考古
作者:陈耀

太阳爆发“双响炮”,耀斑的重要特征就是增强的辐射(耀这个词的由来)。辐射跨越了几乎整个电磁波段,最为特征性的就是X射线、极紫外、微波波段的辐射增强。

 大家都知道,耀斑的重要特征就是增强的辐射(耀这个词的由来)。辐射跨越了几乎整个电磁波段,最为特征性的就是X射线、极紫外、微波波段的辐射增强。

工作中,大家常用GOES系列卫星测量到的软X射线(波长在1埃至8埃之间)辐射流量峰值来代表耀斑的强度或者级别(注:由于大气吸收效应,在地面无法观测耀斑的X射线和EUV辐射)。这些级别由弱至强分为:A B C M XX射线辐射量每升高一个量级,级别就跃变至更高等级。例如,在峰值高于或等于10-6但小于10-5W m-2时为C级,高于或等于10-5但小于10-4W m-2时为M级,高于或等于10-4时均定为X级;峰值为8x 10-5 W m-2的耀斑为M8级,而峰值为2 x 10-4 W m-2的事件则为X2级。

流量的观测没有区分来源,即未知辐射从哪个源区出来的。而爆发过程的研究是必须要搞清楚辐射源区的分布和演变情况的。

图:SOHO卫星观测到的太阳爆发现象(左为日冕物质抛射、右为耀斑)。

为了说清楚辐射源的分布及对这些分布的物理解释,有必要从头说起。

大家公认,耀斑是由“磁场重联”物理过程引起的。

磁场重联的发生是有条件的,需要先形成一种电流片位形。

电流片位形对应于反向力线相互靠近时、在其间催生的片状强电流分布,是一种高磁能状态;反向力线靠得越近,则电流越高,直至太高,使得原本可以忽略的系统弱电阻变得重要或者由于高电流状态衍生出新的“异常”电阻效应时,系统便不再稳定,发生电流的烧蚀,这对应于磁场的耗散过程。这一过程中,由于电流烧蚀,当然会产生电阻加热之电流的欧姆耗散项(高中物理哦);除这一直接加热效应外,对于耀斑通常更为重要的后果却是粒子被加速至很高的能量(几十keV—MeV,至更高)。耀斑高能粒子显然是被重联过程中变化的磁场感应出的电场加速的。在一般耀斑过程中,大概可以有百分之几十的能量以高能粒子动能的形式存在。

具体的电场表现形式(准直流形式的电场加速、各类磁岛加速(收缩磁岛之O型加速、并合磁岛之X型加速等)、湍流、慢激波、还有耀斑终止激波等等)是重联过程如何加速粒子的等离子体物理经典且前沿的课题,此处不便涉及太多。

这样,经过重联后,磁场的高磁能状态被转化为低磁能状态,这一状态变迁,从磁场本身来看就是连接方式或者拓扑的改变。而磁化等离子体中,磁场的连接方式、空间分布形态,更确切地说,磁场的旋度,与等离子体电流几乎等价。因此,电流的耗散直接改变了磁场的拓扑;或者说磁能的拓扑改变及磁能状态跃变直接对应于电流的耗散。被消耗掉的磁能通过电阻欧姆耗散被转化为等离子体热能;磁场的拓扑随着电流的消耗发生了同步变化,磁场结构重组磁力线重新连接;通过感应电场,又加速得到大量高能粒子,磁能被转化为高能粒子的能量。这便是重联的三个主要后果。

在耀斑过程中,由于磁场连接性质的改变,在靠近太阳一侧,我们还会得到回缩的磁环结构(耀斑后环);在背离太阳一侧,则得到螺旋缠绕的向外抛射的磁绳结构,对应于CME抛射体的一部分。

然而,耀斑源区中发生的重联和高能粒子加速过程目前仍无法直接探测。我们看到的耀斑特征都是辐射、辐射、辐射、辐射。

辐射从何而来?

根据电动力学的知识,做加速运动的电荷产生辐射(电磁波)。

重联过程中得到的这些高能粒子、高温等离子体,就是激发这些电磁辐射的源头。各类辐射机制中,比较经典的就是韧致辐射(高能粒子与周围物质作用而发生减速)、回旋同步辐射(高能粒子绕磁场回旋运动而致运动方向持续改变)。前者又可分两种情况,厚靶和薄靶韧致辐射。厚靶辐射是指高能粒子在一次作用过程(例如射入致密的色球-底层过渡区)中而几乎损失全部能量;而薄靶模型则是指高能粒子在一次辐射过程中自身能量变化不太大(例如与相对稀薄的日冕气体相互作用)从而可以激发多次辐射的情况。

根据辐射粒子的性质,又可分为热的和非热的(韧致和回旋)辐射。“热”是指辐射粒子对应于处于热分布(即Maxwell分布)的等离子体粒子;而“非热”的辐射粒子就是指的那些高能粒子,一般为幂率谱(而不是热的即非热)分布。

好了,至此为止,需要用到的概念几乎都交代完了。下面得尽快切入正题(吃瓜观众已所剩无几)!

前面提到,耀斑要发生,得有电流片。电流片的产生其实大概可以有两种可能,一是紧邻的日冕磁环结构在足点运动控制下可能相互逼近,如果磁场方向不同,则彼此接触的地方便会产生电流,靠得越近则电流越强、分布也越接近一个片状;另一种可能就是日冕物质抛射(CME)爆发时,腾空而起的低日冕磁场结构在身后留下的“空间”形成内外压强差而将两侧力线吸入,也可能在磁场结构快速向外运动过程中会强烈推挤临近结构,均可能产生电流片位形。目前广为接受的太阳爆发物理过程的模型之中,就是在耀斑和CME之间存在着电流片位形,重联正是沿这一起着“承上启下”作用的结构上发生的(见图)。向日一侧为耀斑后环,背日一侧为CME抛射体尾部。高能粒子随着重联的双向喷流会射向后环顶部及CME尾部,进一步还会沿环击向致密的足点区域。从X射线的辐射机制而言,这三部分电荷与周围介质作用的区域均是可能的X射线辐射源区(此处主要讨论高能电子的辐射)

事实上,最先观测到的就是位于耀斑环足的X射线足点源;在1994年,日本的阳光(Yohkoh)卫星上天后,Masuda(1994)发现了环顶上方源,而且观测到X射线能段越高,对应的源区位置也越高,这说明能量释放区位于环顶上方区域。这一发现在1994Nature发表,文章的题目就叫《A loop-top hardX-ray source in a compact solar flare as evidence for magnetic reconnection》。这个工作以及后续的观测和理论研究对于耀斑物理图景的理解产生了重要影响。对应的耀斑也被命名为Masuda耀斑,此类环顶上方的X射线源也常被称为Masuda类的源。

RHESSI卫星成功发射后,Sui & Holman(2003)又在MasudaX射线源的更上方发现了又一个新的X射线源。两组源合称为日冕双源(X-ray Double Sources)。每个源区均对应于大量高能粒子与周围介质发生强烈相互作用的区域,每组高能粒子又像极了快速行进的炮弹,源区对应于炮弹落地爆炸发光之处,单源为单响之炮,而双源则为双响之炮,故称观测到的日冕双源结构为太阳爆发“双响炮”。

注意,点题了。

左上二图:太阳爆发物理过程的卡通图示;左下四组图:Masuda etal.(1994 Nature)发现的耀斑环顶上方源;右上图:Sui &Holman(2003)发现的日冕双源结构;Liu et al.(2008)给出的一例耀斑事件中观测的双源结构的源区位置随能量的变化。

随后,出现了一系列的双源研究工作。这些工作发现,两组源关系很紧密,具有相近的流量曲线变化特征和能谱指数;更关键的是,随着X射线观测能段增加两组源先是逐渐靠近而后远离,这也说明能量释放或者粒子加速的区域集中分布于双源中间区域。之所以随能量的继续升高双源发生远离,可理解为:更高能粒子的穿透距离更大。因此,日冕双源的观测为耀斑-CME电流片结构的存在及其作为重联能量释放的关键区域提供了有力证据。事实上,Sui & Holman 2003)文章的名字就取为《Evidence for the formation of a large-scale current sheetin a solar flare》。

    上述物理描述可以用下图来表示。图中的黑字部分表示发生的各种物理过程或现象,红字部分表示背后的主要辐射机制。而绿字部分对应于本工作贡献的对于日冕双源成因的新理解。

其实,这是个故事的续集。

前集也使用了不少文字,记载于“祸起萧墙”之“太阳爆发之里应外合破城计”,当属笔者功力表现充分的一篇文章。大家可适当或假装温习(见下图)。与前集类似,这一续集的发表也不太顺当,消耗了大量的时间和激情。“双响炮”的名字虽早已在日常生活的散步游泳或差旅时取好,然审稿人的挑剔和拖延却一直在消磨着咱的激情,“豪情还剩一襟晚照”,差不多可以描述这种状态。直到审者(怀疑是双源现象的主要发现者)在审阅修改大半年后终于推荐文章发表,我心亦平淡,波澜也不起,竟致提笔书写此文也需多番自我激励方落屁股。



上两列图:等值线表示的硬X射线()和微波源区()位置与AIA/SDO观测到的爆发图像叠加图。下列图:沿三个切片S1-S2-S3做的时间高度图,虚线描出对应于侧拱回缩时的高度变化,通过拟合可给出侧拱的回缩速度来。

 

不错,这次描述的事件仍是前文同一例事件。不过关心的内容却从爆发的触发机制转移到日冕双源的成因。事件中观测到了非常好的双源事件,然而表现出的观测特征却与之前的观测大相径庭。双源的流量剖面不再类似,谱指数则上硬下软,随着能量的增加双源也不再逼近或远离而处于几乎固定的位置。那些用来支持“电流片重联双向能量释放”以解释日冕双源的几个观测依据在此事件中都不再展现。

原因何在?

根据爆发过程中日冕高温磁环结构运动过程的观测,我们注意到中心爆发体向外抛射到一定高度时,两侧的侧拱开始回挤,回挤的横向速度惊人之快,每侧均达到了250 km/s左右,合起来就是500 km/s的相互逼近的速度,而双源中的上方源则于回挤之时出现于回挤之处。两个物理过程的强关联,加上刚刚提及的双源不同以往的观测特征,使得我们相信上方源是由侧拱的快速回挤所形成的。快速回挤,会使得夹于中间的力线被大大压缩,不论之间之前是否存在电流片或者源区处于电流片中间或上方位置,都可能由于回挤而产生或强化电流片位形从而发生局部磁场重联及对应的高能粒子加速和X射线辐射。因为回挤的速度太快了,超过平常观测到的耀斑重联入流速度的5-10倍。

在微波波段(34GHz)也观测到了类似的双源位形,微波谱的分析与X射线源的谱分析结果是一致的。两组独立获取的观测数据在一定程度上相互支持。

图:RHESSI卫星和NoRH太阳射电日像仪(34GHz)观测的日冕双源结构。

 

如此这般,就为太阳爆发“双响炮”---日冕双源的成因提供了新的物理解释。你值得了解!

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