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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽(yáng)系系主任
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日冕磁場(chǎng)的常規(guī)測(cè)量
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地空學(xué)院田暉課題組領(lǐng)銜率先初步實(shí)現(xiàn)日冕磁場(chǎng)的常規(guī)測(cè)量 2024/10/08 信息來源： 地球與空間科學(xué)學(xué)院 編輯：安寧 | 責(zé)編：山石 以北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院田暉教授及其博士生楊子浩為主的合作研究團(tuán)隊(duì)在日冕磁場(chǎng)測(cè)量方面取得重要進(jìn)展�；凇岸S冕震”方法和升級(jí)版日冕多通道偏振儀（UCoMP）的觀測(cè)，他們率先在國(guó)際上初步實(shí)現(xiàn)了日冕磁場(chǎng)的常規(guī)測(cè)量，揭示了日冕磁場(chǎng)在約8個(gè)月時(shí)間內(nèi)的演化規(guī)律。這是繼2020年該團(tuán)隊(duì)測(cè)得首幅全局性日冕磁圖后的又一重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果近日發(fā)表在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。 磁場(chǎng)是太陽(yáng)物理最重要的物理量，正是太陽(yáng)磁場(chǎng)的演化導(dǎo)致了黑子11年周期、百萬(wàn)度高溫的日冕以及猛烈的太陽(yáng)爆發(fā)等重要現(xiàn)象。正因如此，測(cè)量太陽(yáng)磁場(chǎng)一直是太陽(yáng)物理學(xué)者最重要的使命之一，也是必須完成的任務(wù)。早在1908年，美國(guó)著名太陽(yáng)物理學(xué)家、The Astrophysical Journal創(chuàng)刊人海爾（George Ellery Hale）將剛發(fā)現(xiàn)不久的塞曼效應(yīng)用于太陽(yáng)黑子的磁場(chǎng)測(cè)量，從而開啟了人類測(cè)量地球之外天體磁場(chǎng)的歷程。今天，這一方法仍被人們所沿用，基于這一方法，我們已經(jīng)能夠?qū)μ?yáng)表面（光球）的磁場(chǎng)分布及其演化進(jìn)行高分辨率的日常測(cè)量。 然而，對(duì)于太陽(yáng)大氣最外層的日冕，其磁場(chǎng)一直難以測(cè)量。這主要是因?yàn)槿彰岽艌?chǎng)很弱，并且日冕的高溫導(dǎo)致譜線輪廓很寬，使本來就不明顯的譜線分裂更難被測(cè)量出來。盡管人們利用磁場(chǎng)模型或者基于一些偶發(fā)現(xiàn)象嘗試研究和測(cè)量日冕磁場(chǎng)，但這些方法都具有各自的局限性。全球性、常態(tài)化的日冕磁場(chǎng)測(cè)量一直未能實(shí)現(xiàn)，這也限制了我們深入理解太陽(yáng)的三維磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其演化過程，制約了包括日冕加熱和太陽(yáng)爆發(fā)機(jī)制在內(nèi)的諸多重要科學(xué)問題的研究。 2020年，田暉團(tuán)隊(duì)基于“二維冕震”方法，通過研究日冕中普遍存在的磁流體橫波，首次實(shí)現(xiàn)了日冕全局性磁場(chǎng)的測(cè)量（Science, 369, 694, 2020；Sci China Tech Sci, 63, 2357, 2020）。然而，由于分析方法、儀器性能和觀測(cè)條件等的限制，當(dāng)時(shí)僅有少數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)可被用于日冕全局性磁場(chǎng)的測(cè)量，平均每年只能得到一兩幅全局性的日冕磁圖。 最新的UCoMP日冕儀是一臺(tái)能夠?qū)θ蛰嗊吘壷獾娜彰徇M(jìn)行光譜成像觀測(cè)的設(shè)備，觀測(cè)視場(chǎng)范圍為距日心1.05—1.6個(gè)太陽(yáng)半徑。利用UCoMP在Fe XIII 1074.7nm和1079.8nm譜線輪廓不同波長(zhǎng)位置的成像數(shù)據(jù)，他們構(gòu)建了這兩條近紅外譜線的強(qiáng)度輪廓，進(jìn)一步得到包括譜線強(qiáng)度、多普勒速度在內(nèi)的譜線參數(shù)的空間分布及其時(shí)間演化。多普勒速度圖的時(shí)間序列清晰地展示出日冕中廣泛存在的磁流體橫波。與此同時(shí)，他們進(jìn)一步改進(jìn)了“二維冕震”方法，使其能夠更準(zhǔn)確、更高效地追蹤這些日冕波動(dòng)，獲得波動(dòng)傳播的方向及速度大小，并通過Fe XIII 1074.7nm和1079.8nm譜線對(duì)的強(qiáng)度比值診斷出日冕密度分布。結(jié)合波動(dòng)追蹤和密度診斷結(jié)果，他們獲得了日冕磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的分布。利用UCoMP日冕儀從2022年2月至10月期間的日常觀測(cè)數(shù)據(jù)，他們獲得了共計(jì)114幅全局性的日冕磁圖，達(dá)到了大約每?jī)商煲淮蔚臏y(cè)量頻率，從而在國(guó)際上首次初步實(shí)現(xiàn)了日冕磁場(chǎng)的常態(tài)化測(cè)量。 image1.png 圖1. 2022年6月1日UCoMP測(cè)量得到的日冕磁場(chǎng)強(qiáng)度（左上）和方向（右上）圖與日冕模型中的磁場(chǎng)強(qiáng)度（左下）和方向（右下）圖 基于UCoMP的日冕磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)還首次獲得了日冕中不同高度上磁場(chǎng)強(qiáng)度的全球分布圖及其隨時(shí)間的演化，并構(gòu)建了針對(duì)日冕中不同高度的、類似光球綜合磁圖的日冕綜合磁圖，實(shí)現(xiàn)了在若干個(gè)太陽(yáng)自轉(zhuǎn)周期內(nèi)，對(duì)1.05—1.6個(gè)太陽(yáng)半徑范圍內(nèi)的日冕中幾乎所有緯度上磁場(chǎng)演化的監(jiān)測(cè)。結(jié)果顯示，日心距1.05—1.6個(gè)太陽(yáng)半徑范圍內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度可從小于1高斯到約20高斯。通過比較光球與日冕的磁場(chǎng)分布及其演化，可以發(fā)現(xiàn)二者之間總體上具有一致性。此外，他們也觀測(cè)到強(qiáng)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)在類似的經(jīng)度反復(fù)出現(xiàn)，說明活動(dòng)經(jīng)度帶在日冕磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果中也有明顯體現(xiàn)。 image2.png 圖2. 在5個(gè)太陽(yáng)自轉(zhuǎn)周內(nèi)的光球綜合磁圖（上）、1.10—1.15個(gè)太陽(yáng)半徑內(nèi)（中）以及1.20—1.25個(gè)太陽(yáng)半徑內(nèi)（下）平均的日冕綜合磁圖 image3.gif 圖3. 3個(gè)不同時(shí)間的光球磁場(chǎng)（左）、1.10—1.15個(gè)太陽(yáng)半徑內(nèi)平均的日冕磁場(chǎng)（中）和1.20—1.25個(gè)太陽(yáng)半徑內(nèi)平均的日冕磁場(chǎng)（右）的全球分布 image4.png 圖4. 在不同日期測(cè)得的日冕磁場(chǎng)分布圖疊加在日冕極紫外圖像上 研究團(tuán)隊(duì)還將測(cè)量結(jié)果與先進(jìn)的全球日冕磁流體力學(xué)數(shù)值模型進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，測(cè)量得到的日冕磁場(chǎng)大致是視線方向上輻射量加權(quán)平均的結(jié)果。測(cè)量得到的日冕磁場(chǎng)與模型的預(yù)測(cè)結(jié)果在中低緯度日冕中具有較高的相關(guān)性，但在高緯度和一些活動(dòng)區(qū)存在不小的偏差。這些測(cè)量結(jié)果將為現(xiàn)有模型的完善和改進(jìn)提供重要的觀測(cè)約束。 這一成果進(jìn)一步完善了“二維冕震”方法，初步實(shí)現(xiàn)了全局性日冕磁場(chǎng)的日常測(cè)量，填補(bǔ)了太陽(yáng)磁場(chǎng)測(cè)量方面的一項(xiàng)空白，使得太陽(yáng)大氣磁場(chǎng)的常規(guī)測(cè)量從過去僅限于最底層的光球擴(kuò)展到日心距最大約1.6個(gè)太陽(yáng)半徑的日冕中。日冕磁場(chǎng)常規(guī)測(cè)量的初步實(shí)現(xiàn)，將促進(jìn)黑子周期、日冕加熱、太陽(yáng)爆發(fā)及空間天氣預(yù)報(bào)、日球?qū)哟艌?chǎng)演化等重大課題的研究。 然而，目前這一方法僅能得到日輪邊緣之外的日冕磁場(chǎng)在垂直于視線方向上（天空平面）的分量。未來還需要結(jié)合其他測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)包括日面在內(nèi)的整個(gè)日冕矢量磁場(chǎng)的完整測(cè)量，這將是太陽(yáng)物理界未來至少數(shù)十年的一個(gè)重要研究目標(biāo)。此外，利用“二維冕震”方法測(cè)量日冕磁場(chǎng)時(shí)會(huì)受到波動(dòng)的復(fù)雜環(huán)境與性質(zhì)的影響，如波動(dòng)的反射、非線性過程及冕環(huán)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)等，這些因素可能會(huì)增大測(cè)量結(jié)果的不確定度，未來需要基于更真實(shí)的模型正演來研究其影響。 目前，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)（子午工程二期）的光譜成像日冕儀剛剛建成�！岸S冕震”方法有望應(yīng)用到該設(shè)備的觀測(cè)數(shù)據(jù)中，從而實(shí)現(xiàn)在東半球的日冕磁場(chǎng)測(cè)量。與位于西半球的UCoMP常規(guī)測(cè)量相結(jié)合，我們有望進(jìn)一步提高全局性日冕磁場(chǎng)測(cè)量的時(shí)間分辨率，為太陽(yáng)物理研究提供更豐富的太陽(yáng)大氣磁場(chǎng)數(shù)據(jù)支撐。此外，國(guó)內(nèi)外多個(gè)團(tuán)隊(duì)正在推動(dòng)建造更大口徑的日冕儀，以期實(shí)現(xiàn)更高分辨率、更精確的日冕磁場(chǎng)測(cè)量。 論文的第一作者為楊子浩，通訊作者為田暉，其他合作者包括北京大學(xué)2019級(jí)本科生劉賢雨、美國(guó)國(guó)家大氣研究中心Steven Tomczyk和Sarah Gibson博士、英國(guó)諾桑比亞大學(xué)Richard Morton博士、美國(guó)預(yù)測(cè)科學(xué)公司Cooper Downs博士。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及科學(xué)探索獎(jiǎng)等的資助。 論文信息： Yang, Z., Tian, H., Tomczyk, S., Liu, X., Gibson, S., Morton, R. J., Downs, C., Observing the evolution of the Sun’s global coronal magnetic field over 8 months, Science, 386, 76—82（2024） https://news.pku.edu.cn/jxky/081cf36b38c0431dbb364be380234607.htm |
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