中國天文學家在湍流持續加熱爆發磁繩的研究中獲進展

中國科學院雲南天文台葉景博士及其合作者的最新數值模擬工作。該工作基於太陽爆發災變標準模型，發現了磁繩（magnetic flux rope）在失穩上升後遠離太陽表面依然被強烈地加熱的現象及日冕物質拋射（coronal mass ejections，簡稱 CME）周圍相關的波狀結構，對日冕物質拋射底部的湍動等離子體特徵提供了更深入的理論解釋。

太陽爆發是太陽系中最劇烈的活動現象，其中相當於幾十億顆巨型氫彈同時爆炸的能量，通過磁重聯過程被快速地釋放出來。觀測發現，磁繩在爆發後背離太陽的演化過程中依然被強烈地加熱。其可能的機制有電流片內的重聯加熱、紐纏不穩定性、小尺度磁重聯、波加熱、熱傳導、高能粒子、暗條中的反向流和歐姆加熱等。然而，哪些機制是主導日冕物質拋射泡的加熱過程的，仍然是未解之謎，亟需進一步研究。

葉景等人利用2.5維高分辨率的磁流體動力學（Magnetohydrodynamics）模擬加入更真實的熱傳導過程，發現了重聯出流中的磁流體動力學湍流可以持續地把日冕物質拋射底部的等離子體加熱到更高的溫度，為加熱日冕物質拋射提供了相當大的能量。在熱傳導和慢模激波共同作用下形成了極紫外圖像中復雜的日冕物質拋射泡的觀測特徵（上圖）。同時，他們也發現日冕物質拋射底部的湍流會被終止激波進行一定程度的增強。雖然日冕物質拋射底部的終止激波的壓縮率有時候甚至會超過4，但這樣顯著的激波結構依然在太陽動力天文台（Solar Dynamics Observatory，簡稱 SDO）的多波段圖像難以準確的探測到。

另一方面，在磁繩上升過程中，其尾部持續地產生週期性波列，其產生機制跟日冕物質拋射底部不斷形成的倒陰叉結構有關。結果表明，湍流是產生日冕物質拋射周圍的強波列結構及其周期性的重要來源。

雖然他們模擬中日冕物質拋射底部的緻密的熱等離子結構仍然未被太陽動力天文台的觀測證實，但有可能可以在許多X級耀斑相關的快日冕物質拋射事件中用紫外日冕分光儀觀測數據探測到。比如，2002年4月21日的事件中，有觀測發現在磁繩底部有鐵13譜線的響應，這可能就跟湍流加熱相關。

【圖、文：節錄自中國科學院雲南天文台2021年3月8日新聞公佈；新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在2021年3月4日出版的《天體物理學報》