左上:SDO-HMI卫星观测到的太阳光球表面磁场分布,白色代表正极黑色代表负极,磁场集中分布的两个区域均为活动区;右上图为磁环足点正负极性的示意图;左下图为SDO-AIA拍摄到的活动区图像,中间的活动区正在爆发、向外喷射物质,其余较亮区域均对应于活动区;右下图示一例由模型计算给出的日冕磁力线的分布。除右下图外,其余图片取自网络。
太阳大气的温度相当高,故其中的物质都是电离的,以电子和离子即等离子体的形式存在。电荷在磁场中,基本行为就是回旋运动了。而且回旋半径非常之小,回旋周期非常之短,使得这些电荷实际上可看成是紧紧拴在磁力线上的,像线上的珠子,磁场和等离子体合二为一:捆绑冻结在一起。因而,上面讲的由磁环构成的围城其实同时也是由等离子体构成的。可以讲,磁环、连带其上的等离子体将活动区罩了起来。而活动区之所以相对较亮,密度和温度较高,除了这里是太阳活动高发---因而存在各种加热等能量释放过程之外,物质和能量无法随意逃离也是一个关键原因。对比看看太阳大气中的暗黑区域---冕洞,那里没有大尺度的闭合磁环,里面是呼呼外流的物质---太阳风,表现得又黑又稀,就可以明白这个道理了。
顾名思义,活动区始终处于活动状态。在这个过程中,能量,主要是磁场能量,不断以磁浮现、磁足点运动等形式向上传输,暂存于环系下方---“城内”。这些暂存的磁场及其能量在与已有日冕中的磁场和结构相互作用后,会形成对应的结构。例如,有的情况下,是足点被扯开远离而致高度“劈叉”状磁环---或许如“一字马”之形;有的情况下,是相互扭缠抱团的“绳”状结构。这些都对应于高能量状态,专业上称为“剪切磁拱”或“磁绳”。如果没有活动区上方磁环的围城之困,这些高能量载体早就会飞离太阳、膨胀于空间之中,奔向更低的能量状态了。所以,破城之举,先要有“萧墙之祸”---即高能量载体(爆发结构)的出现。
左图和中图:根据磁场观测数据做外推,所计算出的一次太阳爆发事件前后的日冕磁力线分布图,在爆发前存在的磁场扭缠结构在爆发后消失了(Ruan et al., 2014)。右图:太阳爆发三维数值模型中所采用的磁绳和约束场(Fan et al., 2007)。
破城之第一计,靠实力拼本事。这种打拼体现在围城与高能量载体之间的PK。这一PK可简单化解为作用于能量载体之上的两个力间的竞争。根据电磁学,磁场会对其中的电流施以力的作用,而自由电流可以产生有旋的磁场(注:非势场,势场是电流处处为零的磁场),反之有旋的磁场需要电流来支撑;对于高度劈叉、抑或磁力线扭缠的复杂结构,之所以能量较高,就是因为其中分布着与磁场结构对应的电流系统。
磁场重联过程的简单示意图,时间从左至右。红色、蓝色表示重联前的两根磁力线,线上的箭头表示磁场方向。指向中心的白色箭头表示可能存在的驱动重联的推挤过程,即重联入流。
这与Aly猜想有什么关系呢?
复杂多极活动区上方的“围城”,可能含有来自连接不同指向磁极对的磁环系统,其中的磁场方向可以相反。这样的“磁墙”是相对脆弱的。一旦下方覆盖区域中浮现或演化出高能量的磁场结构,该结构的自力作用将使之向外膨胀或运动,从而推挤上方的磁环系统,使得这些反向的磁环不断靠近,这就为重联的发生创造了条件。这些“围城”围墙间的重联一旦发生,便相当于打开了城门,使本来起约束作用的磁环,经重联重新连接后,向两侧分开,放行了。下方的磁场结构便会乘势更向上拱,使得上方更多反向磁环被推挤而发生类似的过程。如此这般形成一种“推挤”与“洞开”的正反馈,就会势如破竹,在看似坚固、层层包围的磁环之中打开一条通道而致爆发。这就是CME触发的breakout model,可以翻译成磁裂爆模型,强调先裂(break)后爆(out)的“破城”之计(注:已有常用的翻译是“磁爆裂”)。相应的重联称为breakout重联。
Aly猜想是如何绕过去的呢?
如此这般,上方磁环发生重联而转向两侧,这些磁环便不需要在爆发过程中被打开了,相当于大大降低了爆发所需的能量成本:一个爆发体所积累的能量应低于相应的开放场能量,但是可以显著高于经过breakout重联之后的系统所对应的相应开放场能量,这就可以同时解释场打开和物质加速的能量来源了。相对于上述破城第一计而言,看似轻松不少。
Breakout模型提出之后,出现了许多数值模拟的验证工作,证明了这一机制的有效性。在观测依据方面,也有许多支持的数据分析工作。我们这里所介绍的研究工作,便是一个观测数据分析工作。这个问题难在什么地方、这个工作又新的什么地方呢?
Breakout重联发生于太阳大气的较高层次。太阳磁场随着高度迅速下降,所以breakout重联其实并没有太多的磁场能量可以释放,这带来的后果就是有关的观测特征很不明显(不大“晃眼”)。前面提到,breakout模型对于活动区磁场的排布有讲究,故几乎所有观测分析都研究爆发源区位于日面的事件。因为只有对这些事件,才能获取源区的磁场数据。这时,显然,breakout重联过程将投影于亮的活动区上面,更加难以分辨。可以说,作为一个主流的CME触发模型,其核心要素---breakout重联还没有得到一种直接的观测证认。
要想从观测上找到这一重联的特征,需要研究分析源区位于太阳边缘的临边事件。本工作所展示的正是这样一例事件,除了没有对应的磁场数据外,事件几乎完美地展现了breakout数值模拟工作所预测的各个阶段的主要特征(参见下图),当然,也还有一些新发现。
本工作已经被美国theAstrophysical Journal Letters杂志接受发表,将于近期刊出。本工作开展所依赖的这些数据,充分展示出美国NASA卫星---SDO(太阳动力学观测台)无与伦比的观测能力。过两年(2018年),NASA按计划会发射新一代太阳探测计划--太阳探针(Solar Probe Plus),逼近太阳探究竟。 时不我待,欲超越,我辈还需大大大努力啊!
左图:Breakout模型的基本磁场位形,包括红色的上方磁拱(或磁环),蓝色的中心磁拱,底部青色的爆发结构,与黄色的两侧磁拱。其中红色与蓝色磁拱均为爆发体上方磁拱,二者磁场方向相反,之间的重联即为breakout重联。底部的颜色表示磁场极性。右图:本研究工作所分析的爆发时间,与左图配置非常相似。中间底部最亮的为爆发结构。
左图:SDO-AIA在三个不同波段(131-94-171A)上观测到的breakout爆发事件。上中下三组图分别反映爆发的三个阶段:breakout重联,也就是爆发的触发阶段;爆发阶段;日冕结构的回复阶段。右图:卡通图示与数值计算给出的不同阶段breakout模型的磁场位形。