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    我國學者在日冕磁場測量方面取得進展

    日期 2020-08-12   來源:數理科學部   作者:劉強 田暉  【 】   【打印】   【關閉

    圖. 2016年10月14日CoMP觀測的日冕輻射強度圖(左)和磁場分布圖(右),點線和劃線分別表示太陽圓盤的邊緣和日冕儀視場的內邊界

      在國家自然科學基金項目(批準號:11825301、11790304)的資助下,北京大學田暉教授領銜的國際合作團隊,利用高山天文臺日冕多通道偏振儀(CoMP)的觀測數據,在日冕磁場測量這一世紀難題的研究方面取得突破,首次測量得到日冕磁場的全球性分布,研究成果以“日冕磁場的全球性分布(Global maps of the magnetic field in the solar corona)”為題,于2020年8月7日發表在《科學》(Science)雜志上,論文鏈接:https://science.sciencemag.org/content/369/6504/694。

      磁場對于太陽來說具有極其重要的意義。一直以來,測量太陽磁場是太陽物理學家最重要的使命之一。20世紀初,著名天文學家喬治·埃勒里·海耳(George Ellery Hale)基于剛發現不久的物理學原理——塞曼效應,首次直接測量到太陽黑子中數千高斯的磁場。在那之后,塞曼效應一直被用于測量太陽表面(光球)的磁場。然而迄今為止,我們對太陽磁場的常規測量僅僅局限在光球層。光球之上的太陽大氣,尤其是最外層的日冕,由于磁場很弱,很難通過塞曼效應來測量。由于太陽大氣各層次中的磁場實際上是一個整體,磁場將各層大氣耦合在一起,這導致太陽上最重要的物理過程大多跟磁場的三維結構及其演化有關,因此,日冕磁場測量的困難極大地制約了太陽物理學科的發展。

      多年前,一種被稱為“磁震學”的方法被認為能夠用于日冕磁場的測量。其基本原理是根據冕環等結構中偶爾發生的震蕩或波動現象的觀測,結合磁流體波動理論,來診斷日冕中的磁場。CoMP是一臺具有成像光譜觀測能力和偏振測量能力的地面日冕儀,由美國國家大氣研究中心下屬高山天文臺負責運營。它可在Fe XIII 1074.7 nm和1079.8 nm兩條近紅外譜線輪廓的不同波長位置進行觀測,觀測視場約為1.05到1.35個太陽半徑。CoMP的觀測顯示,日冕中幾乎處處都存在著傳播的磁流體橫波,這些普遍性波動的發現為“磁震學”的發展帶來了新的契機。

      該團隊近期成功地將磁震學方法應用到這些磁流體橫波上。他們首先將過去局限于部分區域的波動追蹤方法拓展到整個視場范圍,從而獲得這些波動傳播速度的全球性分布。之后,利用1074.7 nm和1079.8 nm譜線輻射強度的比值對密度敏感的特性,得到了日冕等離子體密度的全球性分布。最后,在波動追蹤和密度診斷的基礎上,首次基于日冕觀測獲得了日冕磁場的全球性分布。

      這一研究成果實現了用磁震學方法測量日冕磁場從點、線到面的飛躍,填補了全球性太陽磁場測量的空缺,從而向實現日冕磁場常規測量的最終目標邁進了一大步。




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