The Innovation | “蝌蚪”撞日
导读
太阳耀斑是太阳上的一种剧烈爆发现象。在极紫外和软X射线观测中，耀斑区通常表现为明亮的半环状结构。环顶之上，经常可见形如“蝌蚪”的暗黑结构朝向太阳运动。这些小“蝌蚪”很可能蕴含耀斑能量释放的重要信息，但人们对其涉及的具体物理过程还知之甚少。我们发现许多“蝌蚪”非常罕见地直接撞向环顶，撞击之处温度明显升高，并伴有增强的极紫外和X射线辐射。由于不同“蝌蚪”撞日时间不同，辐射的增强是间歇性的，这为太阳和恒星耀斑期间经常观测到的准周期脉动提供了一种新的解释。
图1 图文摘要
太阳耀斑是太阳磁场的能量在几分钟到数小时内突然释放出来的一种现象，表现为电磁辐射的急剧增强。在软X射线和极紫外波段的观测中，耀斑区通常表现为明亮的半环状结构（称为耀斑环）。当耀斑发生在日面的边缘时，在耀斑环顶之上，经常可见一些形如“蝌蚪”的暗黑结构朝向太阳运动。这些小“蝌蚪”是大约20年前被发现的，被称为环顶上方的下降流（supra-arcade downflows）。但是迄今人们仍不清楚这些黑黝黝的东西到底是什么？更不了解这些神秘的“蝌蚪”在太阳耀斑的能量释放和传输过程中起到了什么作用？
过去，人们基本都是在日面的边缘观测到这些“蝌蚪”，而在日面上极少能观测到它们。过去这些观测几乎无一例外地显示，“蝌蚪”们朝向太阳运动时，还没有到达耀斑环顶便停止运动了，看不到它们与耀斑环直接相互作用的过程。2013年4月11日，太阳动力学天文台卫星（SDO）上携带的太阳大气成像望远镜（AIA）观测到发生在日面中心附近的一个耀斑，其绝佳的观测视角使得我们成功地观测到了“蝌蚪”们在日面上的精细动力学过程。在这次观测中，我们发现一条条小“蝌蚪”直接撞击到耀斑环的顶端，撞击之处的太阳大气温度明显升高，达到一两千万度（图2）。这一加热过程也导致撞击处及其附近区域的极紫外和X射线辐射显著增强。这一研究结果表明，小“蝌蚪”们对耀斑期间太阳大气的加热有不可忽视的贡献。
图2 “蝌蚪”撞日的动态观测图。亮环之上往下运动的暗黑结构就是本次观测到的“蝌蚪”。
由于不同“蝌蚪”撞击耀斑环顶的时间不同，温度的增加和辐射的增强是间歇性的。因此，在对整个太阳积分的X射线流量曲线中，便呈现出准周期性的变化。近二十年来，人们在太阳和其它恒星的耀斑观测中发现了很多准周期的电磁辐射信号，称为准周期脉动(quasi-periodic pulsations)。主流的观点认为，准周期脉动的产生跟磁流体波动或者间歇性的磁重联过程有关。我们的研究表明，至少部分观测到的准周期性脉动很可能是由不同的“蝌蚪”逐一撞日所引起的。
总结和展望
未来，需要利用更多的卫星观测数据，来研究这些小“蝌蚪” 对耀斑期间太阳大气的加热是否具有普遍性。还需要通过磁流体力学数值模拟，来重现我们的观测结果，并基于此探讨加热的具体机制。此外，如果一些恒星的准周期脉动是由“蝌蚪”撞日产生的，我们将有望根据点源恒星的观测，来推测恒星耀斑过程中的空间结构及其动力学特征。
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00008-4
本文内容来自Cell Press 合作期刊The Innovation 第二卷第一期发表的Report文章“Plasma heating induced by tadpole-like downflows in the flaring solar corona” (投稿: 2020-11-18；接收: 2020-12-22；在线刊出: 2021-01-18；DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100083)
引用格式：Samanta T., Tian H., Chen B., et al (2021). Plasma heating induced by tadpole-like downflows in the flaring solar corona. The Innovation, 2(1), 100083.
作者简介
本文第一作者为Tanmoy Samanta博士，通讯作者为田晖教授和Tanmoy Samanta博士。论文主要作者还包括美国新泽西理工学院陈彬教授、哈佛-史密松天体物理中心Katharine Reeves博士、美国洛克希德·马丁太阳与天体物理实验室Mark Cheung博士等人。
Tanmoy Samanta，现任美国航天局马歇尔飞行中心博士后，2017-2019年任北京大学博士后。主要从事太阳物理研究。本文大部分工作为其在北京大学任职期间完成。
田晖，北京大学地球与空间科学学院教授，中国科学院太阳活动重点实验室(依托国家天文台)主任。主要从事太阳物理研究。
陈彬，美国新泽西理工学院物理系教授，美国天文学会太阳物理分会理事。主要从事太阳物理研究。
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