環形耀斑與日冕變暗有關?太陽爆發活動都是“團伙作案”

2020年04月27日10:19  來源:科技日報
 

在黑暗寒冷的太空中,如果不是“熊熊燃燒”的太陽帶來光和熱,地球將是一片死寂。

但是,性格暴烈的太陽,時不時也會給我們制造一點小麻煩,太陽大氣的局部區域會在短時間內釋放大量能量,也就是我們常說的太陽耀斑。

太陽耀斑不僅會引起其局部區域瞬時加熱,還會向外發射各種電磁輻射,並伴隨粒子輻射的突然增強,從而影響地球的通信、導航甚至航空航天。

中國科學院紫金山天文台研究人員與國內同行合作,利用美國太陽動力學天文台(SDO)衛星搭載的大氣成像儀(AIA)和日震磁像儀(HMI)的多波段觀測數據,詳細研究了2015年10月16日在編號12434的活動區發生的一個M級環形耀斑,發現耀斑所在區域和附近並沒有明顯的暗化,卻在距離該耀斑約18萬千米的寧靜區出現了遠端日冕暗化現象。近日,該研究結果發表於《天文與天體物理》雜志。

關於環形耀斑科學家知之甚少,而對於環形耀斑與日冕暗化關系的研究也非常欠缺。這兩者同時出現,引發了科學界的關注。耀斑與其他太陽大氣現象之間是否還存在其他關聯?日冕區域暗化意味著什麼?大面積暗化區域物質去向哪裡?

劇烈的能量釋放過程

太陽看起來就像一顆刺眼的大火球。天文望遠鏡誕生后,科學家們才可以逐漸開始研究太陽發出的光,研究太陽表面黑子,並在日食期間觀察日冕。

直到1859年,英國天文愛好者理查德·卡林頓在觀察太陽時,跟蹤一個巨大的太陽黑子,他觀測到一個前所未見的現象:一個“白光耀斑”,強烈明亮,在整個黑子中移動了大約5分鐘,然后完全消失。

這是人類第一次觀測到太陽耀斑。之所以稱之為耀斑,是因為它們看上去是一些非常光亮的區域,其溫度高達上千萬攝氏度,最長持續幾個小時。

“太陽耀斑是發生在太陽大氣局部區域,通常是黑子周圍活動區的一種劇烈能量釋放過程,是太陽大氣活動的重要形式之一。”中國科學院紫金山天文台副研究員張擎旻告訴科技日報記者。

耀斑的能量相當驚人,一個耀斑所釋放的總能量可達約1022—1025焦耳,相當於1.5億至1500億顆廣島原子彈同時爆炸釋放的能量。耀斑的能量源自太陽表面積累的磁場自由能,在短時間內這些能量通過一種叫做磁場重聯的機制快速轉換為等離子體的熱能、動能以及輻射能,並產生大量高能粒子。

現在,科學家已經可以通過地面和空間的大型太陽望遠鏡在射電、紅外、可見光、紫外線,甚至是伽馬射線等全波段觀測到耀斑。

目前人們觀測到的、形態比較規則的耀斑包括兩類,一種是雙帶耀斑,這是最常見、研究最成熟的一類耀斑,它們在太陽低層大氣呈現兩條近似平行的亮帶,在日冕中呈現出拱形熱環﹔另一種是環形耀斑,是美國太陽過渡區與日冕探測器發現的一種特殊耀斑,通常由一個圓形或橢圓形亮帶和內部致密的亮帶組成。

各類活動彼此關聯

對於太陽來說,耀斑並不是孤立存在的,太陽大氣中的各類活動彼此之間有著密切聯系。比如,太陽黑子釋放其磁能量時產生耀斑,而耀斑往往與日冕關系密切。

統計研究表明,能量越大的耀斑越容易伴隨太陽表面的另外一類爆發活動——日冕物質拋射(CME)。顧名思義,日冕物質拋射就是指日冕在很短的時間內向行星際空間拋射大量磁化等離子體的過程。這些等離子體的質量可達百億噸,最高速度可達3000千米/秒。

因此,科學家將那些伴隨著CME的耀斑,稱為爆發耀斑,沒有CME伴隨發生的耀斑稱為約束耀斑。這也直觀地體現了耀斑的能量大小。其實,耀斑和CME都是太陽表面最劇烈、能量最高的爆發活動,也是產生災害性空間天氣的重要源頭。

耀斑和CME產生的高能輻射以及磁化等離子體經過長途跋涉,到達地球附近時,對地球周圍磁場及電離層產生強烈擾動,進而對航天器、通信、導航等產生影響。

日冕暗化,也是與太陽耀斑爆發或者CME相關的另一種大尺度活動。

據觀測,日冕暗化表現為局部日冕在極紫外和軟X射線波段輻射的快速變暗和緩慢回升,整個過程可持續幾小時到十幾小時。日冕暗化的區域先快速擴展然后緩慢收縮,最大面積可達數萬平方兆米。

“日冕暗化主要是由耀斑和CME導致的密度降低引起的,因此我們可以根據日冕暗化的光譜變化,大體估算CME帶走的物質。”張擎旻介紹說。

科學家認為,研究日冕暗化對於空間天氣預警和預報有一定的指導意義,但目前關於環形耀斑與日冕暗化關系的研究還非常欠缺。

或因區域物質密度降低

在此次研究中,科學家發現,耀斑與遠端日冕暗化區域由大尺度閉合磁力線相連接,証明二者有著緊密聯系。

據專家介紹,這個遠端日冕暗化的變化過程大致分三個階段:首先,在耀斑硬X射線到達峰值前數分鐘,出現微弱的暗化﹔之后,長而窄的遠端日冕暗化發生了,在幾乎所有極紫外波段都可以觀察到,而耀斑區域本身並沒有明顯變化。隨后,大面積的暗化逐步向東南方向延伸,面積緩慢增加,部分暗化區域最大相對亮度降低90%﹔最后,暗化面積逐漸縮小。

通過估算,整個演化過程持續約8小時。同時,這次遠端日冕暗化的特性,比如面積、亮度、持續時間等,與CME引起的暗化很接近。

“這一次的發現與以往的觀測都不太一樣,很難用現有理論做出完美解釋。”張擎旻認為,遠方日冕變暗的原因,推測可能是這些區域物質密度降低,而非溫度變化。

在此之后,科研人員又找到了幾個類似事件,說明這種現象並非個例。

但是,為什麼耀斑會引起太陽大氣變化?消失的物質又去了哪裡?現在還是未解之謎。

無論是耀斑還是CME,都會對地球造成巨大影響。在理查德·卡林頓首次觀測到耀斑大約18小時后,地球上出現了有記錄以來最大的地磁風暴﹔世界各地都觀測到極光﹔在古巴、夏威夷等赤道附近區域,人們將看到的極光稱為“綠色窗帘”﹔電報機在斷開連接的情況下,因為感應電流而引起震動。

如果今天發生這樣的事件,大量電力和電子基礎設施將遭受毀滅性的打擊,造成損失可能高達數萬億美元。

想要准確預報並減輕空間天氣事件造成的損害,方法隻有一個——弄清楚太陽表面究竟發生了什麼,而這項研究為我們能夠更多地了解這個脾氣不太好的鄰居,又向前邁進了一步。

(責編:趙竹青、呂騫)