中国科大揭示太阳爆发的重构过程

中国科大日地空间物理研究团队在太阳爆发活动的研究中取得重要进展，发现爆发结构在早期爆发过程中发生了复杂的重构演化，研究成果以“Complete replacement of magnetic flux in a flux rope during a coronal mass ejection”为题，于2023年5月4日发表在国际学术期刊《Nature Astronomy》。

太阳爆发活动的一个主要表现形式是日冕物质抛射（coronal mass ejection;或CME），即太阳大气中缓慢积累的磁能在短时间内被剧烈地释放出来，将局部大气加热到上千万度——被称为耀斑，并产生大量高能粒子，同时上亿吨携带着磁场的日冕物质被抛射到行星际空间。在接下来几天内，它将扰动整个太阳系的空间环境，尤其是影响现代社会中的各种高技术系统，包括航天、航空、通讯、电网等。自上世纪70年代被发现以来，日冕物质抛射一直是太阳和日地空间物理关注的焦点。在经典图像中，太阳爆发的核心结构是由螺旋缠绕的磁力线构成的磁绳；在爆发开始后，磁绳周围的磁力线通过磁场重联转化为螺绕的磁力线，包裹在原有磁绳之外，导致其以“滚雪球”的方式迅速长大，预期形成具有规则缠绕形态的抛射磁场结构。然而，各种近地和行星际飞船在“原位”探测到的太阳抛射物中，只有一小部分（仅约三分之一）具有预期的磁场结构，其余则与经典图像存在较大偏差。

图1.爆发前磁绳结构的形成

研究团队对发生在2014年教师节的日冕物质抛射事件进行了深入研究，经过多方探索和仔细分析，发现爆发前形成的磁绳结构在爆发过程中经历了一系列复杂的剥蚀、瓦解和重建。观测证据表明，爆发前具有S形结构的磁绳从小尺度的“种子”发展而来（图1），这一过程也为研究团队前期的研究成果（Wang et al. 2017, Nature Communications; Gou et al. 2019, Science Advances）提供了不同角度的重要佐证。爆发开始时，磁绳的足点被低层大气中一个梯形的亮带清晰地勾勒出来（图2）；在随后的剧烈爆发过程中，爆发结构的足点由于物质缺失表现为日冕中的暗化区（图2）。伴随着太阳色球耀斑带的高度动态变化和日冕暗化区域的随之漂移（图3），爆发结构的足点位置发生了剧烈的迁移，与爆发前磁绳的足点区域几乎没有交集（图2）；而根据经典图像，表征爆发结构足点的日冕暗化区本应覆盖原有磁绳的足点。耀斑带末端则呈现极度不规则的形态以及来回拉锯式的运动（图3），揭示磁绳内部以及磁绳与周围磁场间发生着复杂的三维磁场重联。这些现象表明，爆发过程中的三维磁场重联将原有磁绳的磁通量几乎完全替换。这一研究揭示了以前鲜有报导的复杂三维磁重联的细节过程及其在日冕物质抛射形成中的重要作用，同时为行星际空间复杂抛射结构的产生提供了新的物理解释，也为空间天气预报带来启示。

图2.爆发前磁绳足点与爆发结构的足点几乎无交集，表明磁绳中的磁通在爆发过程中通过磁场重联被完全更替。

图3.爆发过程中色球耀斑带随时间的剧烈动态演化