帕克太陽探針（PSP）抵近太陽發現原初太陽風中頻繁出現速度脈沖和磁場急轉同時發生的事件。這種新現象是如何産生的，成為學術界的前沿熱點問題。beat365何建森課題組與合作者組成研究團隊，提出“時空回溯定時定位”的方法，融合分析多顆航天器的原位探測和遙感觀測數據以及太陽風磁流體力學模型數據，建立起行星際空間中太陽風速度脈沖/磁場急轉與太陽大氣中的精細噴發活動之間的确切因果聯系（圖1），發現太陽色球網絡組織邊界處小尺度交換磁重聯活動是速度脈沖和磁場急轉形成的關鍵驅動因素。相關研究成果發表于《Nature Astronomy》和《The Astrophysical Journal Letters》。

圖1. 太陽風速度脈沖/行星際磁場急轉與太陽大氣中的精細噴發活動之間的聯系示意圖.

太陽風作為從太陽噴射出的、攜帶磁場的等離子體流，是太陽向行星際傳遞能量和物質的重要媒介。太陽風具有活躍的變化特性，太陽風速度和磁場的擾動進一步影響着地球的空間天氣效應。自2018年帕克太陽探針（PSP）發射以來，作為距離太陽最近的人造探測器，PSP承擔了深入探究太陽風的起源、加熱加速和擾動傳播演化機制的任務。PSP的原位探測顯示，在距離太陽僅0.3個天文單位的區域内，太陽風中頻繁出現速度脈沖和磁場急轉同時發生的事件（由于速度脈沖和磁場急轉的相關性，也稱為阿爾芬脈沖）。這些頻發現象的背後隐藏了什麼秘密？這些現象如何起源，是來自太陽大氣的精細活動還是産生于行星際太陽風的相互作用？

針對上述前沿熱點問題，（1）作者發展了“時空回溯定時定位”的方法，成功地确定了太陽風速度脈沖的日面源區位置和相關噴流事件，首次建立了太陽風速度脈沖/磁場急轉與位于色球網絡組織邊界處的太陽大氣精細噴流活動之間的因果聯系；（2）研究發現源區精細重聯噴流活動的磁通量變化可向外輸運形成太陽風速度脈沖/磁場急轉的磁通量；（3）研究還發現太陽風速度脈沖與小尺度日冕增亮事件存在關聯：小尺度日冕增亮事件及其光球磁場變化呈現周期性，調控太陽風速度脈沖事件發生的周期性變化。

（1）“時空回溯定時定位”建立太陽精細噴流活動與太陽風速度脈沖/磁場急轉的因果聯系

作者通過結合PSP、SDO等多種觀測手段和理論模型，提出“時空回溯定時定位”方法，成功追溯了太陽風中速度脈沖/磁場急轉的日面源區以及源區精細活動過程。作者利用勢場源表面模型計算了太陽日冕磁場的空間分布，應用帕克螺旋線模型獲取行星際磁場的分布情況，結合兩種模型，識别出與太陽風速度脈沖/磁場急轉相關的磁通量管，并追溯這些磁通量管在太陽表面的起始區域（圖2）。此外，作者利用太陽風磁流體力學模型數據計算太陽風速度脈沖（具有阿爾芬性脈沖本質）的傳播時間，實現對脈沖起源事件的時間定時，進而确定太陽風速度脈沖/磁場急轉與太陽大氣精細噴流事件發生時間的關聯性（圖3）。作者注意到PSP原位探測的太陽風氦離子豐度特征與日冕低緯度區域的觀測結果相符，再次确認了回溯得到的速度脈沖/磁場急轉的日面源區位置。研究揭示，“時空回溯定時定位”方法同時輔以重離子元素豐度的測量，可以對太陽風精細流結構（包括速度脈沖等）的起源位置和起源過程進行更為準确的評估，是全面了解包括速度脈沖在内的太陽風擾動如何受源區精細活動調控的有效工具。

圖2. 針對PSP抵近太陽探測到的速度脈沖/磁場急轉頻發事件，基于“時空回溯定時定位”方法，重構出從PSP到日面源區的多個磁通量管結構，定位到日面源區位于色球網絡組織邊界處，定時到色球網絡邊界處發生的多個精細噴流活動。

圖3. 太陽大氣噴流活動與太陽風速度脈沖/磁場急轉的對應關系. 頂部10個子圖（1-10）表示AIA 193 Å觀測到的十次噴流事件；(a) 太陽風中磁場徑向分量；(b) 太陽風徑向速度；(c) 太陽風質子數密度；(d) 太陽風質子熱速度；(e) 能量範圍為314 eV至786 eV的電子投擲角分布。子圖(a)-(d)中的灰色陰影區域标記了速度脈沖/磁場急轉簇。藍色陰影區标記了計算得到的噴流擾動到達PSP的時間，到達時間有1小時的不确定度。

（2）發現精細重聯噴流活動的磁通量變化向外輸運形成太陽風速度脈沖/磁場急轉的磁通量

       對噴流活動的進一步分析表明，噴流的形态和磁場分布符合磁場重聯的特征，噴流的激發位置位于色球網絡邊界，激發高度為高色球層或低日冕（圖4）。由此，作者給出太陽風中速度脈沖/磁場急轉的源區位置和物理過程：色球網絡組織邊界處、高色球層或低日冕高度的磁場重聯過程。作者發現這些精細噴流活動與速度脈沖/磁場急轉具有一緻的磁通量變化，具體為噴流活動伴随的光球磁通量變化與速度脈沖/磁場急轉引起的行星際磁通量變化相當（圖5）。作者由此推測源區精細重聯噴流活動所伴随磁通量變化可向外輸運形成太陽風速度脈沖/磁場急轉的磁通量。

圖4. 太陽大氣精細噴流事件分析. (a) AIA 304 Å圖像中的噴流位置，黃色管為磁通量管，黑色曲線表示色球網絡組織邊界，黑色矩形内的空間範圍與子圖(b)和(c)中範圍相同；(b) 線性無力場外推得到的具有交換磁重聯位型的磁力線分布，磁力線的顔色表示局部磁場強度，磁力線的底端連接到HMI磁圖，白色和黑色分别代表正磁極性和負磁極性，黃色管表示磁通量管；(c) HMI磁圖和AIA極紫外圖像按照高度順序的堆疊。

       圖5. 太陽大氣噴流活動與行星際太陽風速度脈沖/磁場急轉伴随的磁通量變化的相關性分析。

（3）發現日冕增亮事件的周期性活動及其對太陽風速度脈沖的周期性調制

       針對一些在日面上發生的小尺度微弱磁重聯事件，望遠鏡可能觀測不到輻射微弱的噴流活動，但是可以觀測到噴流底部的輻射增亮事件。作者發現速度脈沖/磁場急轉與日冕增亮現象之間存在重要關聯。Solar Orbiter第五次飛掠近日點期間，探測到準周期出現的速度脈沖/磁場急轉。這些準周期事件與通過“時空回溯定時定位”觀察到的準周期出現的日冕增亮事件（SDO/AIA日冕成像）相吻合（圖6）。通過對日冕增亮事件的磁活動和形态的詳細分析，作者發現準周期出現的日冕增亮事件伴随着幾乎相同周期的磁通量擾動，有接近一半的增亮事件表現為環形或海葵形狀，超過三分之一的增亮事件伴随着小尺度噴流活動。這些均符合磁重聯事件的觀測特征。因此，日冕大氣中的局部亮度增強極有可能來自重聯過程的磁能釋放。準周期活躍的磁重聯活動和日冕增亮事件調控了太陽風速度脈沖事件發生的準周期變化。

圖6. 準周期出現的太陽風速度脈沖與日冕增亮事件. (a) 太陽風中磁場徑向分量；(b) 太陽風徑向速度；(c) 太陽風徑向速度的二維小波變換功率譜，黑色線标記的區域内置信度為95%；(d) 功率譜的時間平均（黑色實線），峰值周期為7.5小時；(e) 時空回溯定時定位得到的日冕增亮事件數目的時間序列；(f) 日冕增亮事件數目的時間序列的二維小波變換功率譜，黑色線标記的區域内置信度為95%；(g) 功率譜的時間平均（黑色實線），峰值周期為7.6小時。

小結與展望：從“太陽精細磁活動”到“波湍動激發演化”再到“太陽風加熱加速”

通過以上研究，作者利用“時空回溯定時定位”方法，建立起太陽風速度脈沖/磁場急轉與太陽大氣精細噴流活動/增亮現象的關聯，并進一步提出太陽風速度脈沖/磁場急轉起源于太陽大氣中位于色球網絡邊界的磁場重聯事件。盡管如此，速度脈沖/磁場急轉形成與演化的具體物理過程仍未得到全面理解。未來的研究有必要從以下兩個方面深入探讨，以完善對這一謎題的認識：

1.         磁重聯激發阿爾芬波傳播演化形成阿爾芬脈沖的過程：聯合觀測數據和數值模拟，研究阿爾芬波動振幅的增長和陡化機制，以及大振幅波動從日冕到行星際空間的傳播特性。重點關注磁場重聯激發的阿爾芬波如何增長演化為大振幅的超阿爾芬波動（擾動速度超過局地阿爾芬速度）乃至躍變的脈沖，并如何導緻磁場方向的急轉。

2.         速度脈沖/磁場急轉對太陽風加熱加速的機理：通過建立速度脈沖/磁場急轉的耗散機理及其能量向粒子轉換的理論模型，同時結合數值模拟和觀測分析進行驗證，這一研究将增進對太陽風如何受超阿爾芬波湍動耗散加熱加速的理解。

這些方向的深入研究将更全面地揭示太陽精細活動激發阿爾芬波湍動的作用、阿爾芬波湍動傳播演化和耗散加熱加速太陽風的作用，更好的認識太陽活動如何塑造日球層的基本科學問題。

相關文章信息：

1. Hou, C., Rouillard, A. , He, J., et al. Connecting Solar Wind Velocity Spikes Measured by Solar Orbiter and Coronal Brightenings Observed by SDO. The Astrophysical Journal Letters (2024)

文章鍊接： https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad4eda

主要作者信息：侯傳鵬（第一作者，beat365），何建森（通訊作者，beat365），Alexis Rouillard (通訊作者，法國天體物理與行星研究所), Solar Orbiter/PAS儀器數據處理團隊。

2. Hou, C., He, J., Duan, D. et al. The origin of interplanetary switchbacks in reconnection at chromospheric network boundaries. Nature Astronomy (2024).

文章鍊接： https://www.nature.com/articles/s41550-024-02321-9 

主要作者信息：侯傳鵬（第一作者，beat365），何建森（通訊作者，beat365），Daniel Verscharen (通訊作者，倫敦大學學院)，Alexis Rouillard (通訊作者，法國天體物理與行星研究所), 段疊（國防科技大學），吳子祺（beat365），陳亞傑（德國馬克斯·普朗克太陽系研究所），李會超（哈爾濱工業大學-深圳），楊利平（中國科學院國家空間科學中心），Stuart Bale (加州大學伯克利分校)

相關工作得到了國家自然科學基金項目、科技部重點研發計劃項目、歐盟ERC SLOW SOURCE、英國STFC等項目的支持。