太陽(yáng)活動(dòng)能量傳輸和釋放的精細(xì)物理過(guò)程研究成果

中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)

1 概況

太陽(yáng)主導(dǎo)著日地空間環(huán)境及地球生態(tài)系統(tǒng)，是唯一可進(jìn)行高分辨率觀測(cè)和研究的恒星，也是人類研究宇宙最基本物質(zhì)形態(tài)（等離子體）及電磁相互作用的最佳實(shí)驗(yàn)室。劇烈太陽(yáng)活動(dòng)是災(zāi)害性空間天氣的源頭，為了更深入地認(rèn)識(shí)太陽(yáng)活動(dòng)的機(jī)理，揭示太陽(yáng)大氣中能量傳輸和釋放的精細(xì)物理過(guò)程，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)災(zāi)害性空間天氣（國(guó)家重大戰(zhàn)略需求），本項(xiàng)目依托全球一流的太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡：撫仙湖一米新真空太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡（NVST），對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)十年的高分辨率觀測(cè)和深入研究，獲得了以下突破性科學(xué)發(fā)現(xiàn)：一是首次觀測(cè)到太陽(yáng)大氣中的小尺度磁重聯(lián)以及磁重聯(lián)釋放磁扭纏的過(guò)程；二是首次發(fā)現(xiàn)小尺度太陽(yáng)活動(dòng)觸發(fā)大尺度太陽(yáng)爆發(fā)；三是發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)大氣中多種新的活動(dòng)現(xiàn)象。

項(xiàng)目研究發(fā)表核心論文20篇，18篇發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊，2篇發(fā)表在國(guó)內(nèi)SCI天文學(xué)術(shù)期刊，其中，8篇代表性論文影響因子累計(jì)64，SCI他引353次，單篇最高引用110次，1篇入選Nature Communications亮點(diǎn)，2篇獲英國(guó)皇家物理學(xué)會(huì)頒發(fā)的高被引用論文獎(jiǎng)（2017-2019年全球天文引用top 1%）。核心論文影響因子累計(jì)136，SCI他引545次，多項(xiàng)研究被寫入Springer出版的《New Millennium Solar Physics》、《Physics of Magnetic Flux Tubes》、《Magnetohydrodynamic Modeling of the Solar Corona and Heliosphere》等學(xué)術(shù)專著中。研究成果獲2016年全國(guó)“十大天文科技進(jìn)展”。項(xiàng)目執(zhí)行期間多人入選云南省及中科院人才計(jì)劃。經(jīng)第三方科技成果評(píng)價(jià)，專家組一致認(rèn)為“該項(xiàng)目基于國(guó)內(nèi)自主研制的觀測(cè)設(shè)備在太陽(yáng)精細(xì)結(jié)構(gòu)方面取得了重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，研究成果總體達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際一流水平，特別是在小尺度磁重聯(lián)的高分辨觀測(cè)與研究方面達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平”。

圖1 a,b中紅色和白色箭頭分別代表暗條纖維和色球纖維，它們之間發(fā)生磁重聯(lián)形成電流片如圖c-f所示。M數(shù)值模擬重現(xiàn)了暗條爆發(fā)過(guò)程中磁重聯(lián)的產(chǎn)生如圖g-i所示。

2 重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)

1）利用云南天文臺(tái)一米新真空太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)，首次觀測(cè)到太陽(yáng)大氣中的磁環(huán)-磁環(huán)之間的小尺度磁重聯(lián)以及暗條和色球纖維之間的磁重聯(lián)釋放暗條磁扭纏的過(guò)程（圖一所示），觀測(cè)到與理論模型完全符合的磁重聯(lián)事件，提供了完整的磁重聯(lián)觀測(cè)證據(jù)。并通過(guò)非線性無(wú)力場(chǎng)外推和磁流體力學(xué)數(shù)值模擬，驗(yàn)證了這一重大發(fā)現(xiàn)，研究結(jié)果揭示了一種新的能量傳輸和釋放方式。相關(guān)論文發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Nature Communications《自然-通訊》，The Astrophysical Journal Letters《天體物理學(xué)快報(bào)》(美國(guó))和Research in Astronomy and Astrophysics《天文和天體物理學(xué)研究》(中國(guó))上。研究成果發(fā)表后引起國(guó)內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注，成果在中國(guó)科學(xué)院首頁(yè)，國(guó)家自然科學(xué)基金委網(wǎng)站，國(guó)家航天局網(wǎng)站，中國(guó)科學(xué)報(bào)及幾十家媒體進(jìn)行了報(bào)道。該論文被《自然-通訊》遴選為等離子體物理方面的亮點(diǎn)文章。

2）首次發(fā)現(xiàn)小尺度太陽(yáng)活動(dòng)觸發(fā)大尺度太陽(yáng)爆發(fā)。通過(guò)對(duì)NVST高分辨率觀測(cè)數(shù)據(jù)的深入挖掘，發(fā)現(xiàn)微小黑子的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致了在同一位置先后形成兩個(gè)具有扭纏磁結(jié)構(gòu)了活動(dòng)區(qū)暗條，并觸發(fā)大級(jí)別太陽(yáng)耀斑，觀測(cè)結(jié)果非常清晰地揭示了太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)形成的詳細(xì)物理過(guò)程，而旋轉(zhuǎn)太陽(yáng)黑子是磁流繩形成的關(guān)鍵原因，也是磁能積累的驅(qū)動(dòng)源（圖二所示）；利用NVST與美國(guó)GST望遠(yuǎn)鏡的聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)新浮小尺度磁流繩的浮現(xiàn)和爆發(fā)產(chǎn)生了大級(jí)別太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射，非線性無(wú)力場(chǎng)外推和三維磁流體力學(xué)數(shù)值模擬也重現(xiàn)了這一物理過(guò)程，這也是首次定性觀測(cè)和定量研究完整的小尺度磁繩浮現(xiàn)過(guò)程。這一系列研究結(jié)果揭示了此類太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)的能量來(lái)源和觸發(fā)機(jī)制。多篇論文發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊The Astrophysical Journal《天體物理學(xué)報(bào)》(美國(guó))系列上。

圖2 一米新真空太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的光球像和色球的活動(dòng)區(qū)暗條。e和f為TiO像，g和h為像。綠色箭頭指向微小的旋轉(zhuǎn)黑子，黃色箭頭指向微小黑子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成的暗條。

圖3 黑子中亮橋的結(jié)構(gòu)和亮橋上面的亮墻結(jié)構(gòu)。

3）發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)大氣中多種新的活動(dòng)現(xiàn)象。例如，首次觀測(cè)到扎根在太陽(yáng)黑子亮橋上垂直震蕩的亮結(jié)構(gòu)（圖三所示），將其命名為“亮墻”，該名稱得到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)同行的公認(rèn)和使用，亮墻的整體都要比周圍區(qū)域明亮，尤其是墻頂?shù)牧炼雀撸⑻岢鰤毫Σㄒ鸬奶?yáng)徑向脈動(dòng)激發(fā)了亮墻的振蕩，而亮墻持續(xù)的亮度增強(qiáng)表明存在著持續(xù)的小尺度磁重聯(lián)或者磁聲波加熱過(guò)程；首次發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)耀斑期間黑子快速的反向旋轉(zhuǎn)，該項(xiàng)研究可能預(yù)示著耀斑期間伴隨磁場(chǎng)螺度的反向輸運(yùn)，并首先提出該現(xiàn)象源于耀斑導(dǎo)致的日冕磁螺度的急劇凝聚，從新的角度詮釋了色球耀斑擾動(dòng)光球的現(xiàn)象，對(duì)現(xiàn)有理論提出了挑戰(zhàn)。多篇研究成果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Nature Communications《自然-通訊》和The Astrophysical Journal《天體物理學(xué)報(bào)》上。