歐洲空間局的太陽環繞器飛船(Solar Orbiter)去年發現了日冕中存在大量類似“篝火”的現象，這是該飛船上天後的第一個重要發現。近日，我院博士研究生陳亞傑等人通過計算機數值模拟，提出了“篝火”的第一個理論模型，認為這些“篝火”是通過一種被稱為“分量磁重聯”的物理過程所産生的。他們的研究還表明，這些“篝火”可能對高溫日冕的形成有重要貢獻。4月27日，歐洲空間局官網、美國《科學》雜志網站、德國馬普學會官網等學術媒體報道了這一研究結果。

什麼是日冕加熱？

太陽大氣的底部溫度大約為5500攝氏度，但是太陽的最外層大氣日冕卻維持着百萬度的高溫。由于太陽的能量來自内部核心區的核聚變，根據熱力學第二定律，距離太陽越遠，溫度應該越低，但是日冕中的溫度卻比太陽表面的溫度高了兩個數量級以上。日冕中的高溫是如何産生并維持的？這就是困擾太陽物理界數十年的“日冕加熱”難題，也是當代天文和空間科學領域最主要的未解之謎之一。

1988年前後，美國著名太陽物理學家、日球物理之父帕克（EugeneParker）提出了一個模型。他認為，日冕中的磁力線可能是相互交織在一起的，這樣在很多地方，相鄰磁力線的方向就不會完全一樣，而是有一定的夾角。在這些位置，容易産生類似太陽耀斑、但空間和時間尺度都要小得多的能量釋放事件，這些事件被稱為納耀斑。帕克猜測，日冕中可能遍布這種微小尺度的事件，它們釋放的總能量足以加熱日冕。然而迄今為止，還沒有發現被太陽物理界公認的、直接的納耀斑觀測證據。

“日冕”中的“篝火”

耗資約15億歐元的太陽環繞器飛船于去年2月成功發射，其攜帶的極紫外成像儀（EUI）是迄今為止分辨率最高的太陽極紫外望遠鏡。該望遠鏡很快便發現甯靜日冕中有着大量的小尺度瞬時增亮現象，這些亮點看起來就像是“篝火”一樣，遍布太陽表面。其空間尺度最小達到400公裡左右，持續時間隻有十幾秒到幾分鐘。來自歐洲的科學團隊經過細緻的分析後，發現這些現象發生在太陽表面以上僅僅幾千公裡的高度，發生之處的氣體通常能夠被加熱到幾百萬度的高溫。這些在日冕中新發現的最小、最微弱的事件，可能對于我們理解日冕加熱問題有重要啟示。

圖1 太陽環繞器飛船攜帶的極紫外成像儀觀測到的日冕中的“篝火”（Berghmans et al. 2021, A&A）

這些“篝火”是如何點亮的

近日，來自我院的陳亞傑同學、田晖教授與德國馬普學會太陽系研究所的HardiPeter教授、DamienPrzybylski博士等人合作，通過計算機模拟深入研究了這些日冕“篝火”背後的物理過程，探讨了這些“篝火”是如何點亮的。在此基礎上，他們提出了第一個日冕“篝火”的理論模型。

他們對太陽大氣開展了三維輻射磁流體力學數值模拟，發現模型中有很多和觀測到的“篝火”性質高度一緻的瞬時亮點。通過分析幾個最明顯的亮點周圍的磁場結構的演化，他們發現大部分亮點都對應了在兩組冕環之間發生的分量磁重聯。磁重聯是發生在電離氣體（等離子體）中的一種物理過程，可以形象地理解為相反方向的磁力線相互靠近後“斷開”再重新“連接”。而分量磁重聯是指發生重新“連接”的兩組磁力線并非具有完全相反的方向，而是之間有一個較小的角度。分量磁重聯發生後，磁場中的能量被釋放出來，加熱了局部日冕大氣，形成“篝火”。

圖2 左圖是模拟的日冕圖像，圓圈指示了一個類似“篝火”的事件。右圖背景是太陽表面的磁場，粉紅色代表左圖展示的“篝火”位置，不同顔色的曲線表示其附近的磁力線（Yajie Chen et al. 2021, A&A）。

他們通過計算還發現，這些“篝火”釋放的能量與日冕加熱所需能量相當，表明其對高溫日冕的形成可能有重要貢獻。這一研究結果表明，“篝火”可能是帕克模型預言的跟納耀斑同一個類型的能量釋放事件。但受限于當前望遠鏡的分辨率，觀測到的“篝火”可能還隻是那些尺度較大的少數事件。

2020年以來，國内外的新一代太陽觀測設備陸續投入或即将投入觀測。未來幾年，人類将首次實現對太陽大氣的不同層次同時進行速度場和磁場測量，這為日冕加熱的研究帶來了巨大機遇。目前太陽環繞器飛船還處在巡航階段，尚未正式開始針對太陽的科學觀測。我們可以期待，未來幾年裡，基于其更多高質量的觀測數據，并結合當前最先進的計算機數值模型，我們對日冕加熱這一難題的理解将得到大大提升。

相關論文已經被世界三大最主要的天文期刊之一Astronomy & Astrophysics接收，即将正式發表。該工作得到了國家自然科學基金委等的支持。

Y. Chen, D. Przybylski, H. Peter, H. Tian, F. Auchere, D. Berghmans, Astronomy & Astrophysics, 2021 (https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202140638)

預印本鍊接：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2021arXiv210410940C/abstract