美国宇航局前所未有的太阳磁场地图——包括神秘的色球层

1999年日全食

铬圈,拍摄于1999年的太阳能日食。由氢气发出的红色和粉红色色调 - 从希腊语“chrôma”中赢得了名称铬圈,意思是颜色。信用:Luc Viatour

在它被发现后的几十年里,观察者只能在短暂的时刻看到太阳色球层:在日全食期间,一个明亮的红色光芒环绕着月球的剪影。

一百多年后的今天,色球层仍然是太阳大气层中最神秘的部分。色球层夹在明亮的表面和缥缈的日冕(太阳的外层大气)之间,是一个变化迅速的地方,温度上升和磁场开始支配太阳的行为。

现在,这是第一次,三个美国国家航空航天局任务已经凝固到铬圈中以返回其磁场的多高度测量。由两颗卫星和色层分布的观察结果捕获,或Clasp2任务,乘坐小型副岩体火箭 - 帮助揭示太阳表面上的磁场如何引起其外部大气层的辉煌爆发。本文于2021年2月19日发表科学的进步

太阳物理学的一个主要目标是预测太阳对空间的影响,包括行星大气的影响空间天气它通常开始于太阳,但可以迅速扩散到太空,在地球附近造成破坏。

驱动这些太阳喷发的是太阳的磁场,这是一条从太阳表面延伸到太空、经过地球的看不见的力道。这个磁场是很难看到的-它只能被间接观察到,通过光从等离子体或超级加热的气体,追踪其线的线,如汽车前灯行驶的遥远的高速公路。然而,那些磁线如何安排 - 无论是松弛和直的还是紧绷,都会在安静的阳光和太阳爆发之间产生所有差异。

“太阳既美丽又神秘,磁场触发的持续活动,”日本国家天文天文台的太阳能物理学家罗伊科·索希考科表示,在东京和纸关的主要作者。

太阳地区

色球层位于光球层(即太阳发出可见光的明亮表面)和过热的日冕(即太阳爆发源头的外层大气)之间。色球层是连接这两个区域的关键环节,也是决定太阳磁结构的一个缺失变量。资料来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

理想情况下,研究人员可以读出日冕中的磁力线,日冕是太阳喷发发生的地方,但等离子体太少,无法准确读数。(在海平面上,日冕的密度远小于空气的十亿分之一。)

相反,科学家们测量了下面两层密度更大的光球层——太阳的可见表面。然后,他们利用数学模型将电场向上传播到日冕中。这种方法跳过了色球层(介于两者之间)的测量,而是希望模拟它的行为。

不幸的是,色球层被证明是一个通配符,磁场线以难以预料的方式重新排列。模型努力捕捉这种复杂性。

“色层是一个非常非常热的烂摊子,”劳蕾尔·拉奇梅尔(Laurel Rachmeler)说,她是CLASP2的前NASA项目科学家,现在在国家海洋和大气管理局(NOAA)工作。“我们对光球层的物理做了简化的假设,对日冕做了单独的假设。但在色球层中,大多数假设都不成立。”

美国、日本、西班牙和法国的研究机构合作开发了一种新的方法来测量色球层的磁场,尽管它很混乱。修改仪器在2015年飞行,他们将他们的太阳天文台安装在一个探斗的火箭上,所以被命名为航海术语“听起来”的意思是测量。在落到地球之前,探测火箭发射到空间简短,几分钟观察。比卫星任务更实惠,更快地建造和飞行,它们也是测试新想法和创新技术的理想阶段。

从新墨西哥州的白沙导弹靶场发射,火箭发射到170英里(274公里)的高空,从地球大气层上方观察太阳,否则会阻挡某些波长的光。他们把目光投向了太阳上“活跃区域”的边缘,那里的磁场强度很强,非常适合他们的传感器。

当CLASP2凝视太阳时,美国宇航局的界面区域成像光谱仪(IRIS)和JAXA美国宇航局/日之出这两个卫星都是在地球轨道上观测太阳的,它们调整了望远镜来观察相同的位置。这三项任务相互配合,聚焦于太阳的同一部分,但观测的深度不同。


测量磁场

为了测量磁场强度,该团队利用了塞曼效应,这是一种已有百年历史的技术。(1908年,天文学家乔治·埃勒里·黑尔(George Ellery Hale)首次将塞曼效应应用到太阳上,我们由此得知太阳具有磁性。)塞曼效应指的是光谱线在强磁场存在时分裂成多个。它们分裂得越远,磁场就越强。

塞曼效应。

塞曼效应。该动画图像示出了具有几种吸收线 - 当特定温度的原子产生的光谱线吸收特定波长的光谱线。当介绍磁场时(这里示出为从磁场发出的蓝磁场线),吸收线分成两个或更多个。分裂的数量和它们之间的距离揭示了磁场的强度。请注意,并非所有光谱线都以这种方式分开,并且CLASP2实验在紫外线范围内测量光谱线,而该演示显示了可见范围中的线。信用:美国宇航局的戈达德太空飞行中心/斯科特·威斯林格

然而,混沌铬圈倾向于“涂抹”光谱线,使得难以判断他们分裂的距离有多远 - 这就是前任务造成困难的原因。Clasp2的新颖性在通过测量“圆极化”来围绕这种限制来努力,这种情况下的光线转变为Zeeman效果的一部分发生。通过仔细测量圆极化程度,Clasp2团队可以辨别出这些涂抹线必须分裂的距离多远,从而磁场的强度是多么强大。


日出将注意力集中在光球层上,寻找那里形成的中性铁的光谱线。CLASP2瞄准了色球层内的三个不同高度,锁定了电离镁和锰的光谱线。同时,IRIS以更高分辨率测量镁线,校准CLASP2数据。这些任务一起监测了色球层内部和周围的四个不同层。

最终结果是:铬环磁场的第一个多高度图。

“当亮子第一次向我展示这些结果时,我简直不能呆在我的座位上,”大卫·麦肯齐说,他是位于阿拉巴马州亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心的CLASP2首席研究员。“我知道这听起来很深奥,但你刚刚展示了磁场同时处于四个高度。没有人呢!”

数据最引人注目的方面只是铬坡面原因的多样化。沿着他们研究的太阳部分和在其内的不同高度,磁场变化显着变化。

“在太阳表面,我们看到磁场在短距离上发生变化;在更高的位置,这些变化更加模糊。在一些地方,磁场并没有达到我们测量的最高点,而在其他地方,磁场仍然处于全力状态。”

该团队希望利用该技术进行多高度磁测量来映射整个铬圈的磁场。这不仅会帮助我们预测天气的能力,它将告诉我们关于我们明星周围大气的关键信息。

“我是一名日冕物理学家——我对那里的磁场真的很感兴趣,”拉奇梅勒说。“能够将我们的测量边界提高到色球层的顶部将帮助我们了解更多,帮助我们预测更多——这将是太阳物理学的一大步。”

他们很快就会有机会迈出这一步:美国宇航局刚刚批准了该任务的再次飞行。虽然发射日期还没有确定,但该团队计划使用同样的仪器,但用一种新技术来测量更宽的太阳区域。

“而不是仅仅测量沿着非常窄的条带的磁场,而是想扫描它跨越目标并制作二维地图,”McKenzie说。

由Clasp2空间实验创建的太阳磁场的前所未有的地图关于这项研究的更多信息。

参考:《从光球到日冕基础的太阳磁场映射》作者:石川良子,Javier Trujillo Bueno, Tanausú del Pino Alemán,冈本武则,David E. McKenzie, Frédéric Auchère, Kano良平,宋东国,吉田雅明,Laurel A. Rachmeler, Ken Kobayashi, Hirohisa Hara, Masahito Kubo, Noriyuki Narukage, Sakao太郎,Toshifumi Shimizu, Yoshinori Suematsu, Christian Bethge, Bart De Pontieu, Alberto Sainz Dalda, Genevieve D. Vigil, Amy Winebarger, Ernest Alsina Ballester, Luca Belluzzi, Jiri Stepan, Andrés Asensio Ramos, Mats Carlsson和Jorrit Leenaarts, 2021年2月19日,科学的进步
DOI: 10.1126 / sciadv.abe8406

2的评论“NASA前所未有的太阳磁场地图——包括神秘的色球层”

  1. 给我更多关于太阳的信息

  2. 色球层仍然是太阳大气层中最神秘的部分。色球层夹在明亮的表面和缥缈的日冕(太阳的外层大气)之间,是一个变化迅速的地方,温度上升和磁场开始支配太阳的行为。

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