本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
簡介：天文學家在觀測太陽過程中，首次發現由火山噴發這一外部驅動因素引發的磁重聯——指由於太陽磁力線周期性折斷並重新排列，磁能轉換成動能、熱能和粒子加速度。該發現對進一步研究強制重聯及建立預測模型有重大意義。
在進行太陽天文學研究的過程中，科學家們注意到，太陽磁場錯綜複雜的磁場線會呈現斷裂-重組的周期性變化。這個過程被稱為磁重聯，其中一個物體的磁拓撲結構被重新排列，磁能轉化成動能、熱能和粒子加速度。
然而，在觀察太陽時，一個由印度天文學家組成的團隊目睹了一種前所未有的現象——由附近的一次太陽爆發引起的磁重聯。這一觀測結果證實了十年前關於磁重聯及其外部驅動的理論，並可能引發一場對空間天氣的理解以及可控核聚變和等離子體實驗的革命。
作出此次發現的團隊由印度理工學院（BHU）太陽能科學家阿布舍克·斯裡瓦斯塔瓦領銜，成員包括來自南波希米亞大學、北京大學地球與空間科學學院、數學等離子體天體物理學中心、印度天體物理學研究所和阿爾馬天文臺的天文學家。
利用美國航天局太陽動力學觀測臺的數據，斯利瓦斯塔瓦和他的同事們觀測到一次與眾不同的磁爆。它開始於太陽大氣層（日冕）的上遊，那裡有一個由太陽表面的一次爆發產生的巨大的物質環（又名：日珥）。隨後，環狀日珥開始降回表面，但緊接著撞擊到大量的糾纏場線從而引發了磁爆。
圖解：如圖所示，日珥高出太陽表面5萬多公裡。相比之下，地球直徑12700公裡的日珥也顯得很小。圖源：NASA
斯裡瓦斯塔瓦這樣解釋道：「這是（我們）第一次觀察到一個由外部驅動的磁重聯，這對於理解其他系統非常有用。例如，地球和行星磁層、其他磁化等離子體源，包括等離子體高度擴散且很難控制的實驗室規模實驗。」
圖解：直徑約60萬公裡的磁化等離子體牆將使太陽系的其他星球相形見絀。圖源：NASA
在以往的案例中，在太陽和地球周圍觀測到的磁重聯在本質上是自發的。此類自發現象只發生在太陽的特定區域，該區域具有一層薄薄的只能傳導微弱電流的電離氣體（也稱等離子體）。
儘管15年前人們就首次提出了由爆炸驅動的強制重聯的可能性，但還沒有人直接觀測過這種可能現象。這種類型的重聯可以發生在更廣泛的範圍，在那裡等離子片導電時電阻甚至更低。然而，它也需要爆發來觸發，這將擠壓等離子體和磁場，並導致它們重聯。
圖解：根據SDO收集到的數據，這是太陽場線的美化圖像。資料來源：NASA/GSFC/太陽動力學觀測臺
利用SDO，研究小組能夠通過檢測太陽的波長來研究這種等離子體，該波長顯示粒子被加熱到100 - 200萬攝氏度(180 - 360萬華氏度)。這使得他們能夠在歷史上第一次觀察並拍攝到日冕強制重聯事件的圖像。它開始於日冕中的日珥落回光球層，在那裡它撞擊到大量的場線，並以獨特的X形重聯。
圖解：太陽磁場會在光球層上方形成巨大的太陽等離子體環。圖源：NASA
為什麼日冕實際上比低層大氣溫度高數百萬度——這對於天文學家一直是個謎團，磁重聯為此提供了一個可能的解釋。為了解決這個問題，太陽能科學家們花費幾十年的時間尋找一種可能的機制來驅動這種熱量。
考慮到這一點，斯利瓦斯塔瓦和他的團隊觀測了多個紫外波長的等離子體，以計算它們在重聯事件後的溫度。數據顯示，比周圍的日冕溫度低的日珥在重聯事件後變熱。這表明，強制重聯可能是日冕局部變熱的原因。
圖解：發光的等離子體形成的環狀和弧狀軌跡。位於太陽盤的中心附近的藍色閃光是一種中等強度的M6.5級耀斑，從活躍區域AR 11719爆發。圖源：NASA
雖然自發的重聯仍然可能是一個影響因素，但強制重聯似乎影響更大，它能夠更快、更高和更可控地提高等離子體溫度。與此同時，斯利瓦斯塔瓦和他的同事們將繼續尋找更多的強制重聯事件，以期更好地理解它們背後的機制以及可能發生的頻率。
這些結果也可能導致更多對太陽的研究，以確定像耀斑和日冕物質拋射這樣的爆發事件是否也會導致強制重聯。由於這些爆發是空間天氣背後的驅動力，而空間天氣會對地球上的衛星和電子基礎設施造成嚴重破壞，因此對強制重聯的進一步研究可能有助於建立更好的預測模型。
圖解：日冕物質拋射 圖源：NASA
反過來，這些將允許在耀斑或拋射發生前進行早期預警和採取搶先一步的措施。理解磁重聯是如何被外部驅動力驅動的，也可能導致實驗室取得突破。對於聚變實驗來說尤其如此，科學家們正在研究如何控制超高溫等離子體流。
作者： Matt Williams
FY: 光子
如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除
轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處