在天文学发表在《自然》的一项研究中,一个国际研究小组的研究人员提出了一个新的详细的“核心引擎”一个大太阳耀斑伴随着强大的爆发第一次捕获9月10日,2017年的欧文斯谷太阳能阵列(EOVSA)——太阳射电望远镜设备由新泽西理工学院(新泽西理工大学)的日地研究中心(装运箱)。
基于EOVSA对微波波长的观测，这项新发现首次提供了描述爆炸中心的磁场和粒子的测量方法。结果显示，杏耀挂机软件一个巨大的电流“薄片”延伸超过40000公里，穿过核心燃烧区域，在那里，相反的磁场线互相靠近，断开，再连接，产生强大的能量，为耀斑提供动力。
值得注意的是，该小组的测量结果还表明，在太阳表面近20,000公里的高度上，在耀斑环状底部(即耀斑拱廊)的顶部有一个磁瓶状结构。研究小组认为，这个结构很可能是耀斑的高能电子被捕获并加速到接近光速的主要位置。
研究人员说,这项研究的新的见解驱动这种强大的爆发可能援助的中央引擎未来的太空天气预测潜在的灾难性释放能量来自太阳耀斑——太阳系最强大的爆炸,能严重破坏地球上的技术如卫星运行、GPS导航和通讯系统,以及其他许多人。
“这项研究的主要目标之一是更好地理解太阳喷发的基础物理，”该论文的主要作者、新泽西理工大学的物理学教授陈斌说。长期以来，人们一直认为磁能通过重连电流板的突然释放是造成这些大型火山喷发的原因，但至今还没有测量它的磁性。通过这项研究，我们终于第一次测量了洋流板磁场的细节，这让我们对太阳主要耀斑的中心引擎有了新的认识。”
“在此之前，太阳耀斑中储存和释放能量的地方一直是不可见的。利用宇宙学中的一个术语，这是太阳的‘暗能量问题’，而在此之前，我们不得不间接推断耀斑的磁重联表存在，”新泽西理工大学EOVSA主任、该论文的合著者Dale Gary说。EOVSA在多种微波频率下拍摄的图像显示，我们可以捕获无线电辐射来照亮这个重要的区域。一旦我们有了这些数据，以及由Gregory Fleishman和Gelu Nita合著的分析工具，我们就能够开始分析辐射，从而实现这些测量。”
今年早些时候，研究小组在《科学》杂志上报告说，它终于可以提供对耀斑点火后磁场强度变化的定量测量。
为了继续他们的研究，该团队的最新分析结合了在哈佛和史密森天体物理中心|进行的数值模拟，EOVSA的光谱成像观测和从x8.2大小的太阳耀斑收集到的横跨无线电波到x射线的多波长数据。这次耀斑是过去11年太阳活动周期中发生的第二大耀斑，发生在快速日冕物质抛射(CME)中，在太阳日冕上部造成了大规模的冲击。
研究的惊喜中,研究人员发现,磁场的实测断面沿耀斑的电流片功能密切匹配从团队的数值模拟预测,这是基于一个著名的理论模型来解释太阳耀斑物理,在1990年代首次提出一个分析形式。
“让我们惊讶的是，测量到的电流板的磁场剖面与几十年前的理论预测完美地吻合，”陈说。
太阳磁场的力量在喷发过程中对加速等离子体起着关键作用。我们的模型是用来计算这次火山爆发期间磁力的物理性质的，表现为磁场线高度扭曲的‘绳’，或者磁通量绳，”CfA的天体物理学家和这项研究的合著者Kathy Reeves解释说。“值得注意的是，这个复杂的过程可以用一个简单的分析模型来描述，而且预测的磁场和测量的磁场非常吻合。”
由CfA的Chengcai Shen进行的模拟是为了数值求解控制方程，以量化整个耀斑磁场中导电等离子体的行为。通过应用一种被称为“自适应网格细化”的先进计算技术，该团队能够在100公里以下的超精细空间尺度上解析薄重连电流片并捕捉其详细的物理信息。
“我们的模拟结果与太阳喷发期间的磁场结构的理论预测相吻合，并且重现了这一特定耀斑的一系列可观测特征，包括磁场强度和重新连接的电流片周围的等离子体流入/流出，”沈指出。
令人震惊的测量
该小组的测量和匹配的模拟结果显示，耀斑的电流层具有一个能产生令人震惊的每米4000伏特的电场。如此强大的电场在40000公里的区域内存在，比三个地球并排放在一起的长度还要长。
分析还显示大量的磁性能量注入电流片的速度估计有10 - 100兆焦耳每秒(1022 - 1023)——也就是说,正在处理的能量爆发的引擎,在每一个第二,相当于释放的总能量约十万最强大的氢弹爆炸(50-megaton-class)在同一时间。
“如此巨大的能量释放在当前的床单是令人兴奋的。在那里产生的强电场可以很容易地将电子加速到相对论能量，但我们意外地发现，电流片区域的电场分布与我们测量的相对论电子的空间分布不一致，”陈说。换句话说，一定有其他东西在起作用，使这些电子加速或重定向。我们的数据显示，杏耀挂机在当前板块底部的一个特殊位置——磁瓶——似乎对产生或限制相对论电子至关重要。”
“虽然目前的表面似乎是释放能量使球滚动的地方，但大部分电子加速似乎发生在另一个位置，即磁瓶。类似的磁性瓶正在开发中，用于限制和加速一些实验室核聚变反应堆中的粒子。”“以前也有人在太阳耀斑中提出过这样的结构，但我们现在可以从数量上真正看到它。”
大约99%的耀斑的相对论性电子在5分钟的发射过程中被观察到聚集在磁瓶上。
陈说，目前，该小组将能够应用这些新的测量结果作为比较基线，来研究其他太阳耀斑事件，
杏耀注册 ，以及通过结合新的观测结果、数值模拟和先进理论来探索加速粒子运动的确切机制。由于EOVSA具有突破性的能力，新泽西理工大学最近被选中参加美国宇航局/NSF驱动科学中心在太阳耀斑能量释放(SolFER)方面的联合合作。
“我们的目标是开发一个全面了解太阳耀斑,从他们开始,直到他们最后喷雾高度太阳风带电粒子,最终,为地球的太空环境,”吉姆·德雷克说,马里兰大学的物理学教授,首席研究员林洋新能源的他并没有参与这项研究。“这些最初的观测结果已经表明，当日冕的磁场‘重新连接’以释放它们的能量时，相对论性电子可能被困在一个巨大的磁瓶中……EOVSA的观测将继续帮助我们解开磁场是如何驱动这些高能电子的。”
“进一步研究磁瓶在粒子加速和传输中的作用将需要更先进的模型来与EOVSA的观测结果进行比较，”陈说。“当然，解决这些基本问题的研究前景广阔。”
