新泽西理工学院 9月11日观测到一个大的太阳耀斑
2017年10月10日，在极紫外(灰度背景，由美国宇航局的太阳动力学观测站)和微波(红色到蓝色表示频率增加，由扩大的欧文斯谷太阳能阵列观察到)
亮橙色曲线是从匹配的理论太阳爆发耀斑模型中选取的磁场线
耀斑是由扭曲的磁通量绳的爆发驱动的(由一束彩色曲线说明)
微波源在中心区域被观测到，那里有一个大规模的重联电流片——耀斑的“中心引擎”——被用来测量它的物理性质
信用:CSTR/新交所，乙
陈
于；美国航天局太阳动力学观测站 在《自然天文学》杂志上发表的一项研究中，一个国际研究小组展示了一个新的、详细的观察结果，该观察结果是在9月11日首次捕捉到的伴随着一次强大喷发的大型太阳耀斑的“中心引擎”内部
2017年10月10日，由欧文斯谷太阳能电池阵列(EOVSA)——一个由新泽西理工学院日地研究中心(CSTR)运营的太阳能射电望远镜设施
新的发现基于EOVSA在微波波长下对该事件的观察，首次提供了表征爆炸中心磁场和粒子的测量结果
结果揭示了一个巨大的电流“片”，延伸超过40，000公里，穿过核心燃烧区，在那里相对的磁力线相互靠近，断裂和重新连接，产生为耀斑提供动力的强烈能量
值得注意的是，该小组的测量还表明，在太阳表面上方近20，000公里处的耀斑环形底部(称为耀斑拱廊)顶部有一个磁性瓶状结构
该小组认为，该结构可能是耀斑高能电子被捕获并加速到接近光速的主要场所
研究人员表示，这项研究对驱动如此强大喷发的中心引擎的新见解可能有助于未来的空间天气预测，预测太阳耀斑释放的潜在灾难性能量——太阳耀斑是太阳系最强大的爆炸，能够严重干扰地球上的技术，如卫星操作、全球定位系统导航和通信系统等
“这项研究的主要目标之一是更好地理解太阳爆发的基本物理，”该论文的主要作者、新交所物理学教授陈彬说
“长期以来，人们一直认为磁能通过重联电流片的突然释放是导致这些大爆发的原因，然而还没有测量到它的磁性
通过这项研究，我们终于第一次测量了电流片的磁场细节，让我们对太阳主要耀斑的中心引擎有了新的认识
" “在太阳耀斑中储存和释放所有能量的地方直到现在都是看不见的
“从宇宙学的角度来看，这是太阳的‘暗能量问题’，以前我们不得不间接推断耀斑的磁场重联层是存在的，”该论文的合著者、国家地球物理学和天文学研究所的地球物理学和天文学研究所主任戴尔·加里(Dale Gary)说
“EOVSA在许多微波频率下拍摄的图像显示，我们可以捕捉无线电辐射，照亮这个重要的区域
一旦我们有了这些数据，以及由合著者格雷戈里·弗莱什曼和格鲁·尼塔创造的分析工具，我们就能够开始分析辐射来进行这些测量
" 今年早些时候，在《科学》杂志上，该团队报告说，它最终可以提供耀斑点燃后磁场强度演变的定量测量
继续他们的研究，该小组的最新分析结合了在哈佛&史密森尼天体物理中心(CfA)进行的数值模拟、EOVSA的光谱成像观察和从X8收集的多波长数据——从无线电波到x光
2倍大小的太阳耀斑
这次耀斑是过去11年太阳周期中发生的第二大耀斑，伴随着快速的日冕物质抛射，在日冕上层产生了大规模的冲击
在这项研究的惊喜中，研究人员发现，沿着耀斑电流片测量的磁场分布特征与tea m的数值模拟预测非常匹配，该模拟基于一个众所周知的解释太阳耀斑物理的理论模型，该模型在20世纪90年代首次以分析形式提出
陈说:“我们惊讶地发现，电流片的测量磁场分布与几十年前的理论预测非常吻合。”
“在火山爆发期间，太阳磁场的力量在加速等离子体方面起着关键作用
我们的模型被用来计算这次喷发期间磁力的物理性质，它表现为磁场线的高度扭曲的“绳子”，或者说磁通量绳，”CfA的天体物理学家和这项研究的合著者凯西·里维斯解释说
“值得注意的是，这个复杂的过程可以通过一个简单的分析模型来捕捉，而且预测和测量的磁场非常匹配
" 由中国科学院沈进行的模拟是为了数值求解控制方程而开发的，该控制方程用于量化贯穿耀斑磁场的导电等离子体的行为
通过应用一种被称为“自适应网格细化”的先进计算技术，该团队能够解析薄的重联电流片，并在100公里以下的超精细空间尺度上捕捉其详细的物理过程
“我们的模拟结果既符合太阳爆发期间磁场结构的理论预测，也再现了这次特殊耀斑的一系列可观测特征，包括磁场强度和重联电流片周围的等离子体流入/流出，”沈指出
令人震惊的测量 该小组的测量和匹配的模拟结果显示，耀斑的电流片特征是产生令人震惊的每米4000伏的电场
如此强的电场存在于40，000公里的区域，比三个并排放置的地球还要长
分析还显示，大量磁能以每秒约10万亿10-100(1022-1023)焦耳的速度被泵入电流层——也就是说，每秒钟内耀斑引擎处理的能量相当于大约10万枚最强大的氢弹(50兆吨级)同时爆炸释放的总能量
“如此巨大的能量释放在当前的床单是令人震惊的
在那里产生的强电场可以很容易地将电子加速到相对论能量，但是我们意外地发现，电流片区域的电场分布与我们测量的相对论电子的空间分布不一致，”陈说
“换句话说，要加速或改变这些电子的方向，必须有别的东西在起作用
我们的数据显示，在电流片底部的一个特殊位置——磁瓶——似乎对产生或限制相对论电子至关重要
" “虽然电流片似乎是释放能量使球滚动的地方，但大部分电子加速似乎发生在另一个地方，磁瓶
类似的磁瓶正在开发中，用于限制和加速一些实验室聚变反应堆中的粒子
”加里补充道
“以前也有人在太阳耀斑中提出过这样的结构，但我们现在可以从数字中真正看到它
" 在长达五分钟的发射过程中，大约99%的耀斑相对论电子聚集在磁瓶上
陈说，目前，该小组将能够将这些新的测量结果作为比较基准，用于研究其他太阳耀斑事件，并通过结合新的观测结果、数值模拟和先进的理论，探索加速粒子运动的确切机制
由于EOVSA的突破性能力，NJIT最近被选中参与美国国家航空航天局/美国国家科学基金会驱动科学中心关于太阳耀斑能量释放的联合合作
“我们的目标是对太阳耀斑有一个全面的了解，从它们的产生开始，直到它们最终将高能粒子喷入太阳风，并最终喷入地球的空间环境，”吉姆·德雷克说，他是马里兰大学的物理学教授，也是索尔弗的首席研究员，他没有参与这项研究
“这些初步观察已经表明，相对论性电子可能被捕获在一个巨大的磁瓶中，这个磁瓶是由日冕的磁场‘重新连接’释放它们的能量而产生的
EOVSA观测将继续帮助我们解开磁场是如何驱动这些高能电子的
" 陈说:“进一步研究磁瓶在粒子加速和输运中的作用，需要更先进的模型来与EOVSA的观测结果进行比较。”
“我们在解决这些基本问题的研究方面肯定有巨大的前景
"
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