我国学者在日冕磁场测量方面取得进展
日期 2020-08-19  来源:数理科学部  作者:刘强 田晖

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图. 2016年10月14日CoMP观测的日冕辐射强度图(左)和磁场分布图(右),点线和划线分别表示太阳圆盘的边缘和日冕仪视场的内边界

  在国家自然科学基金项目(批准号:11825301、11790304)的资助下,北京大学田晖教授领衔的国际合作团队,利用高山天文台日冕多通道偏振仪(CoMP)的观测数据,在日冕磁场测量这一世纪难题的研究方面取得突破,首次测量得到日冕磁场的全球性分布,研究成果以“日冕磁场的全球性分布(Global maps of the magnetic field in the solar corona)”为题,于2020年8月7日发表在《科学》(Science)杂志上,论文链接:https://science.sciencemag.org/content/369/6504/694。

  磁场对于太阳来说具有极其重要的意义。一直以来,测量太阳磁场是太阳物理学家最重要的使命之一。20世纪初,著名天文学家乔治·埃勒里·海耳(George Ellery Hale)基于刚发现不久的物理学原理——塞曼效应,首次直接测量到太阳黑子中数千高斯的磁场。在那之后,塞曼效应一直被用于测量太阳表面(光球)的磁场。然而迄今为止,我们对太阳磁场的常规测量仅仅局限在光球层。光球之上的太阳大气,尤其是最外层的日冕,由于磁场很弱,很难通过塞曼效应来测量。由于太阳大气各层次中的磁场实际上是一个整体,磁场将各层大气耦合在一起,这导致太阳上最重要的物理过程大多跟磁场的三维结构及其演化有关,因此,日冕磁场测量的困难极大地制约了太阳物理学科的发展。

  多年前,一种被称为“磁震学”的方法被认为能够用于日冕磁场的测量。其基本原理是根据冕环等结构中偶尔发生的震荡或波动现象的观测,结合磁流体波动理论,来诊断日冕中的磁场。CoMP是一台具有成像光谱观测能力和偏振测量能力的地面日冕仪,由美国国家大气研究中心下属高山天文台负责运营。它可在Fe XIII 1074.7 nm和1079.8 nm两条近红外谱线轮廓的不同波长位置进行观测,观测视场约为1.05到1.35个太阳半径。CoMP的观测显示,日冕中几乎处处都存在着传播的磁流体横波,这些普遍性波动的发现为“磁震学”的发展带来了新的契机。

  该团队近期成功地将磁震学方法应用到这些磁流体横波上。他们首先将过去局限于部分区域的波动追踪方法拓展到整个视场范围,从而获得这些波动传播速度的全球性分布。之后,利用1074.7 nm和1079.8 nm谱线辐射强度的比值对密度敏感的特性,得到了日冕等离子体密度的全球性分布。最后,在波动追踪和密度诊断的基础上,首次基于日冕观测获得了日冕磁场的全球性分布。

  这一研究成果实现了用磁震学方法测量日冕磁场从点、线到面的飞跃,填补了全球性太阳磁场测量的空缺,从而向实现日冕磁场常规测量的最终目标迈进了一大步。