在《自然天文學(xué)》上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，一個(gè)國(guó)際研究人員團(tuán)隊(duì)提出了一種新的，詳細(xì)的外觀(guān)，里面是大型太陽(yáng)耀斑的“中央引擎”，并伴隨著由歐文斯谷地太陽(yáng)電池陣列于2017年9月10日首次捕獲的強(qiáng)大噴發(fā)(EOVSA)-由新澤西理工學(xué)院(NJIT)的太陽(yáng)地面研究中心(CSTR)運(yùn)營(yíng)的太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡設(shè)施。

基于EOVSA在微波波長(zhǎng)下對(duì)事件的觀(guān)察，新發(fā)現(xiàn)提供了首次測(cè)量結(jié)果，可表征爆炸中心的磁場(chǎng)和粒子。結(jié)果表明，巨大的電流“薄片”穿過(guò)鐵芯擴(kuò)寬區(qū)域，延伸了40,000多公里，在該區(qū)域中，相反的磁場(chǎng)線(xiàn)彼此靠近，斷開(kāi)并重新連接，從而產(chǎn)生了為擴(kuò)口提供動(dòng)力的強(qiáng)大能量。

值得注意的是，研究小組的測(cè)量結(jié)果還顯示出一個(gè)類(lèi)似火瓶的磁性結(jié)構(gòu)，位于火炬環(huán)形底座(稱(chēng)為火炬拱廊)的頂部，位于太陽(yáng)表面上方約20,000公里的高度。研究小組認(rèn)為，這種結(jié)構(gòu)很可能是火炬高能電子被捕獲并加速到接近光速的主要場(chǎng)所。

研究人員說(shuō)，這項(xiàng)研究對(duì)推動(dòng)如此強(qiáng)大爆發(fā)的中央引擎的新見(jiàn)解可能有助于未來(lái)太空天氣預(yù)報(bào)，以預(yù)測(cè)太陽(yáng)耀斑釋放出的潛在災(zāi)難性能量-太陽(yáng)系最強(qiáng)大的爆炸，能夠嚴(yán)重破壞地球上的技術(shù)，例如衛(wèi)星運(yùn)行，GPS導(dǎo)航和通訊系統(tǒng)，等等。

該論文的主要作者，新澤西理工大學(xué)物理學(xué)教授陳斌說(shuō)：“這項(xiàng)研究的主要目標(biāo)之一是更好地了解太陽(yáng)噴發(fā)的基本物理學(xué)。” “長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為，通過(guò)重新連接電流表突然釋放出磁能是造成這些主要噴發(fā)的原因，但尚未對(duì)其磁性能進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)這項(xiàng)研究，我們終于測(cè)量了磁場(chǎng)的細(xì)節(jié)這是第一次，這使我們對(duì)太陽(yáng)主要耀斑的中央引擎有了新的認(rèn)識(shí)。”

“到目前為止，所有能量在太陽(yáng)耀斑中存儲(chǔ)和釋放的地方都是不可見(jiàn)的。...從宇宙學(xué)的角度講，這是太陽(yáng)的'暗能量問(wèn)題'，以前我們不得不間接推斷NJIT的EOVSA主任兼該論文的合著者Dale Gary說(shuō)：“ EOVSA在許多微波頻率上拍攝的圖像表明，我們可以捕獲輻射以照亮這個(gè)重要區(qū)域。一旦有了這些數(shù)據(jù)，以及合著者Gregory Fleishman和Gelu Nita創(chuàng)建的分析工具，我們就可以開(kāi)始分析輻射進(jìn)行這些測(cè)量。”

研究小組在今年早些時(shí)候的《科學(xué)》雜志上報(bào)道說(shuō)，它最終可以在火炬著火后直接對(duì)演化中的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行定量測(cè)量。

繼續(xù)進(jìn)行調(diào)查，研究小組的最新分析結(jié)合了在天體物理學(xué)中心進(jìn)行的數(shù)值模擬。哈佛大學(xué)與史密森尼(CfA)利用EOVSA的光譜成像觀(guān)測(cè)結(jié)果和從X8.2大小的太陽(yáng)耀斑收集的多波長(zhǎng)數(shù)據(jù)(將無(wú)線(xiàn)電波擴(kuò)展為X射線(xiàn))。耀斑是過(guò)去11年太陽(yáng)周期中發(fā)生的第二大耀斑，其發(fā)源于快速的日冕物質(zhì)拋射(CME)，它在上部太陽(yáng)日冕上產(chǎn)生了大規(guī)模的沖擊。

研究出乎意料的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，沿著火炬電流表測(cè)量的磁場(chǎng)輪廓與該團(tuán)隊(duì)的數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)值非常匹配，該預(yù)測(cè)是基于一個(gè)著名的理論模型來(lái)解釋太陽(yáng)耀斑物理學(xué)的，該理論最早是在2000年提出的。以分析形式出現(xiàn)在1990年代。

陳說(shuō)：“令我們驚訝的是，當(dāng)前薄板的測(cè)量磁場(chǎng)輪廓與數(shù)十年前的理論預(yù)測(cè)完美匹配。”

“在噴發(fā)過(guò)程中，太陽(yáng)磁場(chǎng)的力在加速等離子體中起著關(guān)鍵作用。我們的模型用于計(jì)算噴發(fā)過(guò)程中的磁力的物理性質(zhì)，表現(xiàn)為磁場(chǎng)線(xiàn)的高度扭曲的'繩' ，或者CfA天體物理學(xué)家，該研究的合著者Kathy Reeves解釋說(shuō)。“值得注意的是，這種復(fù)雜的過(guò)程可以通過(guò)簡(jiǎn)單的分析模型捕獲，并且預(yù)測(cè)和測(cè)量的磁場(chǎng)如此匹配。”

沉成才(ChengAcain Shen)在CfA進(jìn)行的仿真旨在通過(guò)數(shù)值求解控制方程式，以量化整個(gè)火炬磁場(chǎng)中導(dǎo)電等離子體的行為。通過(guò)應(yīng)用稱(chēng)為“自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化”的高級(jí)計(jì)算技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)能夠解決薄的重新連接電流表，并捕獲了100公里以下超精細(xì)空間尺度上的詳細(xì)物理信息。

“我們的仿真結(jié)果既符合太陽(yáng)噴發(fā)期間磁場(chǎng)配置的理論預(yù)測(cè)，又能從這一特殊的耀斑中再現(xiàn)出一組可觀(guān)察到的特征，包括磁強(qiáng)度和重新連接的電流板周?chē)牡入x子體流入/流出，” Shen指出。

令人震驚的測(cè)量

該小組的測(cè)量和匹配的模擬結(jié)果表明，火炬的電流表具有一個(gè)電場(chǎng)，該電場(chǎng)每米產(chǎn)生4,000伏的電壓。這樣的強(qiáng)電場(chǎng)存在于40,000公里的區(qū)域內(nèi)，大于并排放置的三個(gè)地球的長(zhǎng)度。

分析還顯示，大量的磁能以每秒10-1000億億焦耳(10 22 -10 23)焦耳的速度被抽入當(dāng)前工作表，即火炬引擎處理的能量在一秒之內(nèi)，就等于同時(shí)爆炸約十萬(wàn)顆最強(qiáng)大的氫彈(50兆噸級(jí))釋放的總能量。

“當(dāng)前工作面如此巨大的能量釋放令人著迷。在那里產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)可以輕易地將電子加速為相對(duì)論能量，但是我們發(fā)現(xiàn)的意外事實(shí)是，當(dāng)前工作面區(qū)域的電場(chǎng)分布并不重合以及我們測(cè)量的相對(duì)論電子的空間分布。” “換句話(huà)說(shuō)，必須采取其他措施來(lái)加速或重定向這些電子。我們的數(shù)據(jù)顯示，在當(dāng)前工作表底部的一個(gè)特殊位置(磁性瓶)似乎對(duì)產(chǎn)生或限制相對(duì)論電子至關(guān)重要。 ”。

“雖然當(dāng)前的板料似乎是釋放能量以使球滾動(dòng)的地方，但大多數(shù)電子加速度似乎發(fā)生在另一個(gè)位置，即磁性瓶中。...類(lèi)似的磁性瓶正在開(kāi)發(fā)中，以用于密閉和在某些實(shí)驗(yàn)室聚變反應(yīng)堆中加速粒子。” 加里補(bǔ)充說(shuō)。“其他人以前曾在太陽(yáng)耀斑中提出過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)在我們確實(shí)可以從數(shù)字中看到它。”

在五分鐘長(zhǎng)的發(fā)射過(guò)程中，觀(guān)察到火炬的相對(duì)論電子約有99%聚集在磁瓶上。

Chen說(shuō)，目前，該小組將能夠?qū)⑦@些新的測(cè)量值作為比較基準(zhǔn)來(lái)研究其他太陽(yáng)耀斑事件，并通過(guò)結(jié)合新的觀(guān)測(cè)結(jié)果，數(shù)值模擬和先進(jìn)的理論來(lái)探索加速粒子加速的確切機(jī)理。由于EOVSA的突破性功能，NJIT最近被選中參加NASA / NSF DRIVE科學(xué)中心關(guān)于太陽(yáng)耀斑能量釋放(SolFER)的合作。

大學(xué)物理學(xué)教授吉姆·德雷克(Jim Drake)表示：“我們的目標(biāo)是從爆發(fā)開(kāi)始到最終向太陽(yáng)風(fēng)中噴出高能粒子，并最終向地球的太空環(huán)境中全面理解太陽(yáng)耀斑。”馬里蘭大學(xué)和SolFER的首席研究員，未參與此項(xiàng)研究。“這些最初的觀(guān)察結(jié)果已經(jīng)表明，相對(duì)論電子可能會(huì)被捕獲在一個(gè)大的磁瓶中，這是由于電暈的磁場(chǎng)“重新連接”以釋放能量而產(chǎn)生的。這些高能電子。”

Chen說(shuō)：“進(jìn)一步研究磁性瓶在粒子加速和傳輸中的作用，將需要更高級(jí)的建模來(lái)與EOVSA的觀(guān)察結(jié)果進(jìn)行比較。” “對(duì)于解決這些基本問(wèn)題，我們當(dāng)然有廣闊的前景可供研究。”