又進步啦：最新研究揭示了太陽耀斑，再一次完善教科書上的模型！

2020-10-18 博科園

魯汶大學的等離子體天體物理學家，首次對太陽耀斑期間發生的物理過程進行了自洽模擬。研究人員使用了佛蘭芒超級計算機和一種新的物理模型組合。太陽耀斑是太陽表面的爆炸，可以釋放出巨大的能量，相當於一萬億顆「小男孩」原子彈同時爆炸。在極端情況下，太陽耀斑可以使地球上的無線電連接和發電站癱瘓，同時太陽耀斑也是基於令人驚嘆的太空天氣現象。

例如，極光與太陽耀斑聯繫在一起，太陽耀斑幹擾太陽磁場，以至於太陽等離子體的氣泡可以從太陽大氣層中逃逸出來。多虧了衛星和太陽望遠鏡，科學家已經對太陽耀斑期間發生的物理過程有了相當多的了解。首先，知道太陽耀斑非常有效地將磁場中的能量轉化為熱能、光能和動能。在科學教科書中，這些過程通常被視作標準的二維太陽耀斑模型。然而，這幅插圖的細節從未得到證實，這是因為創建完全一致的模擬是一個巨大挑戰。

因為宏觀效應（我們在這裡談論的是數萬公裡：比地球還大）和微觀粒子物理都必須被考慮在內。昆士蘭大學魯汶分校的研究人員現在已經能夠創建這樣的模擬，研究人員使用了佛蘭芒超級計算機的計算能力，以及一種新的物理模型組合，在宏觀模型中考慮了加速帶電粒子的微觀效應。從教科書插圖到自洽模型，研究也使得計算太陽耀斑的能量轉換效率成為可能。可以通過將耀斑下太陽磁場的強度與移動速度結合起來來計算這種效率。

完善教科書上的模型

如果能及時完成觀測，那是因為一切都發生在幾十秒到幾分鐘的時間跨度內。研究將數值模擬的結果轉換成對太陽耀斑的虛擬觀測，從而模擬所有相關波長的望遠鏡。這使研究人員能夠將標準的太陽耀斑模型從教科書插圖升級為實際模型。「標準太陽耀斑模型」收集了太陽多波長觀測確定的所有物理成分：磁重聯、快速粒子加速，以及由此產生的各種波長輻射，特別是在軟到硬X射線通道中。

經典模型在太陽和等離子體天體物理學的教科書中隨處可見，並指導對其他恆星、吸積盤和噴流上未解決的高能耀斑事件。到目前為止，缺乏一個完全自洽的模型來再現所有方面的標準情景，因為這需要大規模、多維的磁流體(MHD)等離子體描述與現實快速電子處理相結合。研究展示了一種新的組合，其中多維磁流體與解析快電子模型相結合，該模型經過調整以處理時間演化、重新連接的磁場和粒子捕獲。

這使得科學家能夠研究：

（1）快速電子沉積在觸發色球層蒸發流動中的作用

（2）在色球層點或環頂產生各種硬X射線源的物理機制

（3）整個耀斑環演化過程中軟X射線和硬X射線通量之間的關係

這個自洽太陽耀斑模型首次證明了觀測上硬X射線區域掃出的通量與X點處實際磁重聯率之間的關係，這在太陽耀斑情景中是一個主要的未知數，研究還證明了環頂硬X射線源可以是快速電子捕獲的結果。

博科園｜研究/來自：魯汶大學

研究發表期刊《天體物理學》

DOI: 10.3847/1538-4357/ab93db

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