中國科學家找到破解日冕磁場測量難題新途徑


北京大學田暉教授領銜的國際合作團隊,利用高海拔天文台(High Altitude Observatory)日冕多通道偏振儀(Corona Multi-channel Polarimeter,簡稱 CoMP)的觀測數據,在日冕磁場測量這一世紀難題的研究方面取得突破,首次測量得到日冕磁場的全球性分佈,

磁場對於太陽來說具有極其重要的意義。一直以來,測量太陽磁場是太陽物理學家最重要的使命之一。 20世紀初,著名天文學家佐治·埃勒里·海耳(George Ellery Hale)基於剛發現不久的物理學原理:塞曼效應,首次直接測量到太陽黑子中數千高斯的磁場。在那之後,塞曼效應一直被用於測量太陽表面(光球)的磁場。然而迄今為止,我們對太陽磁場的常規測量僅僅局限在光球層。光球之上的太陽大氣,尤其是最外層的日冕,由於磁場很弱,很難通過塞曼效應來測量。由於太陽大氣各層次中的磁場實際上是一個整體,磁場將各層大氣耦合在一起,這導致太陽上最重要的物理過程大多跟磁場的三維結構及其演化有關,因此,日冕磁場測量的困難極大地制約了太陽物理學科的發展。

多年前,一種被稱為磁震學的方法被認為能夠用於日冕磁場的測量。其基本原理是根據冕環等結構中偶爾發生的震盪或波動現象的觀測,結合磁流體波動理論,來診斷日冕中的磁場。日冕多通道偏振儀是一台具有成像光譜觀測能力和偏振測量能力的地面日冕儀,由美國國家大氣研究中心下屬高海拔天文台負責運營。它可在Fe XIII 1074.7 nm和1079.8 nm兩條近紅外譜線輪廓的不同波長位置進行觀測,觀測視場約為1.05到1.35個太陽半徑。日冕多通道偏振儀的觀測顯示,日冕中幾乎處處都存在著傳播的磁流體橫波,這些普遍性波動的發現為磁震學的發展帶來了新的契機。

該團隊近期成功地將磁震學方法應用到這些磁流體橫波上。他們首先將過去局限於部分區域的波動追踪方法拓展到整個視場範圍,從而獲得這些波動傳播速度的全球性分佈。之後,利用1074.7 nm和1079.8 nm譜線輻射強度的比值對密度敏感的特性,得到了日冕等離子體密度的全球性分佈。最後,在波動追踪和密度診斷的基礎上,首次基於日冕觀測獲得了日冕磁場的全球性分佈。

這一研究成果實現了用磁震學方法測量日冕磁場從點、線到面的飛躍,填補了全球性太陽磁場測量的空缺,從而向實現日冕磁場常規測量的最終目標邁進了一大步。

【圖、文:節錄自國家自然科學基金委員會2020年8月12日新聞公佈;新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在2020年8月7日出版的《科學》期刊

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