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    天文与空间科学学院陈枫、丁明德课题组揭示超高温日冕加热新机制

    发布时间:2024-04-10 点击次数: 作者:天文与空间科学学院 来源:科学技术处

    日冕加热问题是天文学著名难题之一,是长期以来研究的热点。太阳的能量源于内部核心区域的聚变反应,距离核心越远的层次温度越低。然而,观测发现太阳大气的温度随距离的增加却迅速上升。位于最外层的日冕层温度可以超过一百万度。经过长期的研究,人们普遍认为磁场在能量的传输与耗散过程中起关键作用,然而其中具体的作用机制尚未有令人信服的结论。解决日冕加热问题的关键是完整地描述磁能从内部到大气的传输与释放的过程,以及等离子体与磁场的自洽耦合与演化。

    更为严峻的问题是:日冕温度并非均匀分布,在太阳活动区(数千高斯强磁场)核心区域温度可达数百万度甚至千万度。根据日冕标度律,日冕等离子体的能量流失率正比于温度的3.5次方,这意味着维持这样的超高温等离子体需要比宁静区日冕高2-3个量级的能流,此即超高温日冕加热问题,无疑比一般的日冕加热问题更具挑战性。目前通常认为超高温日冕需要由足够强的脉冲式磁能释放加热,然而以往的模型在能量注入方式、空间尺度、磁场结构等各方面大幅简化,尚未有模型能在符合真实太阳的物理条件下得到与观测定量相符的结论。

    为了解决上述难题,天文与空间科学学院陈枫副教授、丁明德教授课题组使用三维辐射磁流体力学数值模拟构建了从太阳内部对流区延伸至太阳大气日冕层的大尺度太阳活动区模型(图1)。此模型综合考虑了太阳不同层次大气中包含辐射、热传导的磁流体动力学过程,可以更加真实地还原太阳上等离子体的热力学性质。通过在底边界耦合全球尺度的太阳发电机数值模拟,此模型可以自洽地描述在磁对流运动的推动下太阳磁场从内部浮现进入不同大气高度的完整过程。磁场浮现形成的活动区能够重现真实太阳活动区的重要基本性质,并自发地产生与观测高度相匹配的太阳爆发现象和日冕极紫外波等,课题组已在近几年发表了一系列的成果(ApJL, 911, L8, 2021; ApJL, 933, L29, 2022; ApJ, 937, 91, 2022; ApJL, 950, L3, 2023)。

    由于此模型自洽考虑了多层次物理过程的耦合,这为研究日冕加热问题提供了重要基础。基于此,课题组提出了一种新的太阳活动区超高温日冕的加热机制。不同于传统的主要位于低层日冕的磁编织加热机制,新机制的能量释放过程发生于活动区冕环上方的高层日冕。磁场能量在电流片区域通过一系列磁重联过程转化为日冕的动能与内能。在电流片内部,磁重联提供的加热率呈3分钟短时标的脉冲式演化,伴随着等离子团与磁通量绳的产生;然而,在整个电流片的空间尺度,持续的磁重联事件共同提供了长时标的、足够维持千万度日冕的加热率与加热能流(图2)。模型进一步指出,日冕中持续的磁重联源于活动区持续的磁流浮现过程,这完整描述了磁能由光球层传输至日冕最终通过磁重联释放的全过程(图 3)。此模型很好地解释了太阳活动区的超高温日冕的起源及其能长时间稳定存在的原因。相关成果“A Model for Heating the Super-hot Corona in Solar Active Regions”于2024年4月8日在著名期刊《Nature Astronomy》上在线发表(文章链接 https://www.nature.com/articles/s41550-024-02244-5)。

    南京大学博士研究生卢泽坤为论文的第一作者,陈枫副教授和丁明德教授为通讯作者,博士研究生王璨、戴煜副教授和程鑫教授为论文作出重要贡献。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省双创计划(团队项目)和江苏省研究生科研与实践创新计划的支持。

    图1:太阳活动区磁场及AIA 94 埃辐射的三维建模,清晰展示了活动区复杂的多极磁场与丰富的高温冕环。

    图2:日冕加热率及相关热力学量随时间的演化,清楚展示了电流片区域的总体加热率在长时标上呈现稳定持续的演化,而在局地短时标上具有脉冲式的变化特征。

    图3:太阳活动区磁流浮现过程中温度、数密度、坡印廷能流与光球层磁场随时间的演化,清楚展示了磁场持续在光球层浮现并将能量传输至高层大气的过程。