研究人员前所未有地研究了为太阳耀斑提供动力的“中央发动机”

在《自然天文学》上发表的一项研究中,一个国际研究人员团队提出了一种新的,详细的外观,里面是大型太阳耀斑的“中央引擎”,并伴随着由欧文斯谷地太阳电池阵列于2017年9月10日首次捕获的强大喷发(EOVSA)-由新泽西理工学院(NJIT)的太阳地面研究中心(CSTR)运营的太阳射电望远镜设施。

基于EOVSA在微波波长下对事件的观察得出的新发现,提供了首次测量以表征爆炸中心的磁场和粒子的测量结果。结果表明,巨大的电流“薄片”穿过铁芯扩宽区域,延伸了40,000多公里,在该区域中,相反的磁场线彼此靠近,断开并重新连接,从而产生了为扩口提供动力的强大能量。

值得注意的是,研究小组的测量结果还显示出一个类似火瓶的磁性结构,位于火炬环形底座(称为火炬拱廊)的顶部,位于太阳表面上方约20,000公里的高度。研究小组认为,这种结构很可能是火炬高能电子被捕获并加速到接近光速的主要场所。

研究人员说,这项研究对推动如此强大爆发的中央引擎的新见解可能有助于未来太空天气预报,以预测太阳耀斑可能释放出的灾难性能量。太阳耀斑是太阳系最强大的爆炸,能够严重破坏地球上的技术,例如卫星运行,GPS导航和通讯系统,等等。

该论文的主要作者,新泽西理工大学物理学教授陈斌说:“这项研究的主要目标之一是更好地了解太阳喷发的基本物理学。” “长期以来,人们一直认为,通过重新连接电流表突然释放出磁能是造成这些主要喷发的原因,但尚未对其磁性能进行测量。通过这项研究,我们终于测量了磁场的细节这是第一次,这使我们对太阳主要耀斑的中央引擎有了新的认识。”

“到目前为止,所有能量在太阳耀斑中存储和释放的地方都是不可见的。…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NJIT EOVSA主任兼该论文的合著者Dale Gary说: “ EOVSA在许多微波频率上拍摄的图像表明,我们可以捕获辐射以照亮这个重要区域。一旦有了这些数据,以及合著者Gregory Fleishman和Gelu Nita创建的分析工具,我们就可以开始分析辐射进行这些测量。”

该团队在今年早些时候的《科学》杂志上报道说,它最终可以在火炬着火后直接提供对演化中的磁场强度的定量测量。

继续进行调查,研究小组的最新分析结合了在天体物理学中心进行的数值模拟。哈佛大学与史密森尼(CfA)利用EOVSA的光谱成像观测结果和从X8.2大小的太阳耀斑收集的多波长数据(将无线电波扩展为X射线)。耀斑是过去11年太阳周期中发生的第二大耀斑,它是由快速日冕物质抛射(CME)引起的,从而推动了上部日冕的大规模电击。

研究出乎意料的是,研究人员发现,沿着火炬电流表测量的磁场轮廓与该团队的数值模拟的预测值非常匹配,该预测是基于一个著名的理论模型来解释太阳耀斑物理学的,该理论最早是在2000年提出的。以分析形式出现在1990年代。

陈说:“令我们惊讶的是,当前薄板的测量磁场轮廓与数十年前的理论预测完美匹配。”

“在喷发过程中,太阳磁场的力在加速等离子体中起着关键作用。我们的模型用于计算喷发过程中的磁力的物理性质,表现为磁场线的高度扭曲的’绳’,或者CfA天体物理学家,该研究的合著者Kathy Reeves解释说。 “值得注意的是,这种复杂的过程可以通过简单的分析模型捕获,并且预测和测量的磁场如此匹配。”

沉成才(ChengAcain Shen)在CfA进行的仿真旨在通过数值求解控制方程式,以量化整个火炬磁场中导电等离子体的行为。通过应用称为“自适应网格细化”的高级计算技术,该团队能够解决薄的重新连接电流表,并捕获了100公里以下超精细空间尺度上的详细物理信息。

“我们的仿真结果既符合太阳喷发期间对磁场构造的理论预测,又根据这一特殊的耀斑再现了一组可观察到的特征,包括磁强度和重新连接的电流板周围的等离子体流入/流出,” Shen指出。

令人震惊的测量

该团队的测量和匹配的模拟结果表明,火炬的电流表具有一个电场,该电场每米产生4,000伏的电。这样的强电场存在于40,000公里的区域内,大于并排放置的三个地球的长度。

分析还显示,以每秒10千亿兆(1022-1023)焦耳的速率将大量的磁能泵入当前表中,即在火炬引擎内处理的能量每秒,相当于同时爆炸约十万颗最强大的氢弹(50兆吨级)释放的总能量。

“当前工作面如此巨大的能量释放令人难以置信。在那里产生的强电场可以轻易地将电子加速为相对论能量,但是我们发现的意外事实是,当前工作面区域的电场分布并不重合以及我们测量的相对论电子的空间分布。” “换句话说,必须采取其他措施来加速或重定向这些电子。我们的数据显示,在当前工作表底部的特殊位置-磁瓶-在产生或限制相对论电子方面似乎至关重要。 ”。

“虽然当前的板料似乎是释放能量以使球滚动的地方,但大多数电子加速度似乎发生在另一个位置,即磁性瓶中。…类似的磁性瓶正在开发中,以用于密闭和在某些实验室聚变反应堆中加速粒子。”加里补充说。 “其他人以前曾在太阳耀斑中提出过这样的结构,但现在我们确实可以从数字中看到它。”

在五分钟长的发射过程中,观察到火炬的相对论电子约有99%聚集在磁瓶上。

Chen说,目前,该小组将能够将这些新的测量值作为比较基准来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来探索加速粒子加速的确切机理。由于EOVSA具有突破性的功能,NJIT最近被选中参加NASA / NSF DRIVE科学中心关于太阳耀斑能量释放(SolFER)的合作。

大学物理学教授吉姆·德雷克(Jim Drake)表示:“我们的目标是全面了解太阳耀斑,从太阳耀斑爆发到最终将高能粒子喷入太阳风,然后最终喷入地球的太空环境。”马里兰大学和SolFER的首席研究员,未参与此项研究。 “这些最初的观察已经表明,相对论电子可能会被捕获在一个大的磁瓶中,这是由于电晕的磁场“重新连接”以释放能量而产生的。…EOVSA的观察将继续帮助我们弄清磁场如何驱动这些高能电子。”

Chen说:“进一步研究磁性瓶在粒子加速和传输中的作用,将需要更高级的建模来与EOVSA的观察结果进行比较。” “对于解决这些基本问题,我们当然有广阔的前景可供研究。”

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