美国宇航局航天器观察动作的磁重新连接

通过结合来自美国宇航局在美国的太阳动力学观测站和鲁文·拉马蒂高能太阳光谱成像仪的帮助下,科学家们能够创造出一幅行动中的磁重连的全面视图。


2011年8月17日,太阳爆发了一场耀斑,让科学家们对移动磁场的复杂结构进行了最全面的观察——这一过程被称为磁场重连——为太阳提供了动力。图片信用:NASA GODDARD

美国国家航空航天局的两艘飞船提供了有史以来最全面的电影,讲述了太阳所有爆炸核心的神秘过程:磁重连。当磁力线走到一起,分开,然后交换伙伴,插入新的位置并释放磁性能量时,就会发生磁重连。这个过程是太阳巨大爆炸的核心,比如太阳耀斑和日冕物质抛射,它们可以向太阳系抛射辐射和粒子。

科学家们希望更好地了解这个过程,以便他们可以提供这种天气的预警,这可能影响地球附近的卫星并干扰无线电通信。为什么难以研究的一个原因是磁性重构不能直接见证,因为磁场是不可见的。相反,科学家们使用计算机建模的组合和磁性重构事件周围的观测的吐差,以试图了解正在发生的事情。

奥地利格拉茨大学(University of Graz)的太阳科学家杨苏(Yang Su)说,“该团体仍在试图了解磁重联是如何引起耀斑的。”“我们有这么多证据,但情况还不完整。”

现在,苏又增加了一项新的视觉证据。在对美国国家航空航天局(NASA) SDO(太阳动力学观测站的简称)的观测数据进行搜索时,Su发现了一些特别难以从数据中提取的东西:太阳上发生的磁场重联的直接图像。苏和他的同事们在2013年7月14日的《自然物理》杂志上报道了这些结果。虽然以前已经看到了一些诱人的重新连接图像,但本文显示了第一组全面数据,可用于限制和改善太阳地区这一基本过程的模型。

磁力线本身是看不见的,但它们会自然地对带电粒子产生作用力等离子体,这构成了太阳 - 沿着他们的长度。空间望远镜可以看到材料出现在亮点循环和通过太阳气氛弧线的弧形,因此地图出磁场线的存在。看着一系列图像,苏看到两条捆绑的场线彼此移动,简要满足,形成似乎是“X”,然后用一组线和其伴随粒子跳进空间和一个集合回到太阳上。

“通常很难从这些图片中分辨出三维的真实情况,因为图片本身是二维的,”戈登·霍尔曼(Gordon Holman)说,他是美国宇航局(NASA)位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)的太阳科学家,也是这篇论文的作者之一。“但如果你观察的时间足够长,并比较来自其他仪器的数据,你就可以为正在发生的事情提供很好的理由。”

美国宇航局航天器确认阳光下的磁性重新连接

美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的两个航天器的数据重叠证实了在太阳上发现了磁场重联现象,这是一个磁场重新排列的过程,这是空间天气的核心。这张来自SDO的蓝绿色图像显示了太阳大气层中磁力线的形状。莱西的数据是橙色的。图片来源:NASA / SDO / RHESSI /戈达德

确认他们看到科学家转向第二款NASA宇宙飞船,Reuven Ramaty高能量太阳能光谱成像仪,称为Rhessi。Rhesei收集谱图,一种可以在太阳上的任何给定的事件中显示出异常热材料的数据。Rhessi显示出在重新连接点上方和下方的太阳能材料的热口袋,这是这种事件的建立签名。通过组合SDO和Rhesi数据,科学家们能够描述他们所看到的过程,在很大程度上证实了以前的模型和理论,同时揭示了该过程的新三维方面。

在太阳表面之下,带电物质,即等离子体正在流动。磁环从这股气流中产生,并在磁极附近形成正磁极区域。从一个磁极到另一个磁极,这些磁环在太阳上方形成弧形。当太阳的物质继续在地表下流动时,正极和负极会相互滑过——这与地球上的构造板块相互滑过没有什么不同——当然,在太阳上,物质是一种热气体,而不是坚硬的岩石。这导致上面的弧线增长,向侧面扭曲,变得更加不稳定。这种滑动或剪切的行为会给系统注入更多的能量,它们会盘绕起来,等待弹簧的出现,就像在松开橡皮筋之前先把它缠绕起来。最终,弧线中的磁力线向内弯曲,接触并重新连接,同时在能量释放时发出明亮的闪光,将辐射和高能粒子发送到太空中。

在行动中观察到空间天气

当太阳上的磁场线汇集时,它们可以重新调整到新配置中。该过程称为磁重新连接,可以产生巨大的能量,在阳光气氛中发出巨大的爆炸。图片信用:NASA GODDARD

在SDO的电影中,光线照亮了环线的拱廊,因为重新连接的过程沿着环线的长度级联。明亮的环从每一侧向重连接区域倾斜。随着磁力线的重新配置,新的线圈被向下喷射,而一根等离子体绳分离并向上涌动。在某些情况下,绳子会达到逃逸速度,变成日冕物质抛射,将数十亿吨的物质送入太空。

“这是我们第一次看到这个过程的整个详细结构,因为来自SDO的高质量数据,”苏说。“它支持重新连接的整个情况,具有视觉证据。”

苏说,通过这些图像,他们可以估计磁场重新连接的速度,以及有多少物质进入这个过程,有多少物质流出。这些信息可以插入磁重联模型中,以帮助完善有关这一过程的理论。

科学家们想要了解更多关于磁重连的知识,不仅仅是因为它在太阳上的作用,而是因为它是一个普遍的过程,发生在地球附近,在其磁环境、磁层内,以及任何地方的恒星中。因为在太阳上很难看到这一过程,在实验室中也很难重现和研究这一过程,研究人员计划对太空中的磁重连进行更近距离的观察。为了更详细地研究磁重连,美国宇航局将在2014年底发射磁层多尺度(MMS)任务。MMS由四个航天器组成,它们将穿过发生在地球磁层的磁重联事件。通过使用多艘宇宙飞船——SDO、莱西卫星、MMS等——来解决这个问题,科学家们将能够更好地了解我们在地球上经历的太空天气的初始情况。

这些结果是在欧洲委员会和美国宇航局的联合研究项目下获得的,欧洲高能量太阳能物理数据短暂。

出版物:杨苏等,“太阳耀斑的成像冠状磁场重新连接”,“自然物理(2013);DOI:10.1038 / nphys2675

图片:NASA / SDO / Rhesier / Goddard;纳萨戈德德

是第一个评论关于"NASA宇宙飞船观测磁重连的行动"

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