点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:太阳射电III型暴——“看见”电子束
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

太阳射电III型暴——“看见”电子束

来源:光明网2021-08-20 14:18

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  剧烈的太阳爆发会向日冕-行星际空间释放大量高能电子,进而扰动近地空间环境。在光学、紫外波段,高能电子在稀薄的大气中只能产生非常微弱的辐射,现有的观测技术根本无法看到这些信号。但是,高能电子可以在射电波段产生比背景辐射强数万倍到数千万倍的辐射增强信号,从而使追踪太阳高能电子束的起源、加速和在行星际空间传播成为可能,我们可以在射电波段看见太阳高能电子束!

太阳射电III型暴——“看见”电子束

图1. 太阳射电频谱图示例-比利时ARCAS和HSRS频谱仪在2017年9月6日观测到与X9.3级耀斑有关的射电爆发,包括射电II,III,IV型暴以及叠加的尖峰,斑马纹等频谱结构(图源:https://wwwbis.sidc.be/humain/event_x9_20170906.php)

  太阳射电暴,是指太阳在射电波段的辐射流量增强现象,通常在宽带动态频谱图(频率-时间图)上表现为各种有趣的频谱结构(图1),如太阳射电I、II、III、IV、V型暴、脉动结构、斑马纹结构、尖峰爆发等,它们通常反映出爆发源区各异的物理环境以及辐射机制等诸多重要信息。

太阳射电III型暴——“看见”电子束

图2. 国家天文台怀柔太阳射电宽带动态频谱仪观测到的太阳射电III型暴频谱图,此图观测频段为1.1-1.34GHz(图源:黄静、谭宝林,2012)

  在太阳射电频谱结构中,研究最为广泛的便是射电 III 型暴(图2,图3)。其在频谱图上表现为快速频率漂移,频率范围可覆盖1 MHz-10 GHz,频漂率 > 10% 中心频率每秒,具有较高的辐射亮温度和较短的寿命,常常成群出现,并与太阳耀斑密切相关。

太阳射电III型暴——“看见”电子束

图3. 太阳-行星际射电III型暴频谱图,由瑞士Bleien射电频谱仪(图中200-900 MHz)、法国Nancy频谱仪(图中15-80 MHz)、日地关系天文台搭载的无线电监测装置STEREO/WAVES(图中0.1-14 MHz)观测结果拼接而成(图源:Reid et al. 2014)

  那么,太阳射电 III 型暴与电子束有什么关联呢?这要从它的产生机制说起。

  通常认为,太阳射电 III 型暴是非热电子束以约 0.3-0.8 倍光速沿开放磁力线向外传播时产生的,是高能电子束穿过日冕和行星际空间产生的信号,为远距离示踪这些电子流提供了有力的工具。目前为止,大家普遍认为射电 III 型暴主要的产生机制是等离子体辐射机制,高速电子束流沿磁力线向外运动,在远离加速区处,快电子追过慢电子,在等离子体中形成“尾瘤不稳定性”,产生强朗缪尔波,通过波-波相互作用和等离子体辐射过程转化成可被观测到的电磁波,形成 III 型暴。

太阳射电III型暴——“看见”电子束

图4. 左图:耀斑标准模型示意图,右图:太阳射电III型暴卡通图,来自重联区向上运动电子束产生正常漂移III型暴,向下运动电子束产生反常漂移III型暴(图源:Bastian et al. 1998)

  电子束沿着这些大尺度磁力线以不同的方向运动时,在频谱图上会表现出不同的形状。除了从高频漂移到低频的正常漂移III型暴(负漂移),还有从低频漂移到高频反常漂移结构(正漂移)(图4),射电辐射从高频漂到低频,再漂向高频,在频谱图上呈现 U 形状即称为U型暴,同样相似的J 型暴(图5)也都是 III 型暴的变种之一。

太阳射电III型暴——“看见”电子束

图5. 欧洲低频阵LOFAR观测到的射电J型暴频谱(上图)成像结果(下图)(图源:Reid et al. 2017)

  由于太阳是个“面源”,日面不同位置处的射电辐射强度会随着时间变化,而单一口径的射电望远镜指向太阳时,得到的是整个日面的总流量变化。因此早期由于射电望远镜技术发展的限制,对太阳射电III型暴的观测研究主要是利用频谱观测中的频漂率、偏振度,引入一些模型假设来进行物理参数诊断。

  近十几年来,综合孔径和多波束射电望远镜逐渐发展起来,并成功实现对太阳的全日面射电成像,使得我们能够看见射电III型暴的空间轮廓,获得辐射源区的位置和空间结构信息,并且得到电子束空间演化的动力学特征。例如陈彬等人利用美国甚大阵 VLA 的射电观测追踪了太阳射电III型暴的空间位置(图6),发现在耀斑过程中电子束离开重联区沿着磁力线向外运动,非常完美地描绘了高能电子束的运动轨迹。

太阳射电III型暴——“看见”电子束

图6. 美国甚大阵VLA观测到的射电III型暴频谱(上图)成像结果(下图)(图源:陈彬、余思捷等人,2018)

  太阳射电III型暴,对耀斑源区物理过程和高能电子的加速过程有着灵敏的响应,有利于我们理解太阳爆发活动的触发机制、爆发源区的等离子体密度、温度、磁场强度和源区空间尺度以及高能电子能量分布、加速与传播机制等物理过程。

  随着太阳宽带频谱成像设备的发展与完善,如中国明安图射电频谱日像仪MUSER、美国欧文斯谷日像仪EOVSA,以及大型射电天文设备欧洲低频阵LOFAR、美国甚大阵VLA开展对太阳的观测,还有建设中的中国明安图米波-十米波日像仪,国际平方公里射电阵SKA等,都将会极大的推进太阳射电III型暴的成像研究,有利于我们更好的理解太阳爆发过程中高能电子的动力学行为,为灾害性空间天气事件的预报提供可靠的、来自源头的证据!

  作者简介:陈星瑶,中国科学院国家天文台助理研究员,主要从事太阳物理和太阳射电天文学的研究。

  文稿编辑:赵宇豪

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 国家图书馆:周末来读书

  • 西安铁路工业遗存变身市民乐园

独家策划

推荐阅读
成都大熊猫繁育研究基地科普团队成立于2000年,旨在面向公众传播以大熊猫为代表的生物多样性保护理念。
2025-02-14 10:26
食品添加剂是指为改善食品品质和色、香、味,以及为防腐和加工工艺的需要而加入食品中的化学合成或者天然物质。
2025-02-14 10:24
《自然》杂志13日报道我国发现迄今唯一确切的侏罗纪鸟类——政和八闽鸟。
2025-02-14 10:23
在当前的极寒天气下,机器狗更灵活、可携带更多仪器,巡检质效显著提高,让赛事电力保供更安心。
2025-02-14 10:22
国家税务总局发布的最新数据显示,2024年,现行支持科技创新和制造业发展的主要政策减税降费及退税达26293亿元,助力我国新质生产力加速培育、制造业高质量发展。
2025-02-14 10:11
独脚金是寄生在高粱上的一种植物,能导致高粱减产甚至死亡。近日,我国科学家首次从高粱中发现两个关键基因,敲除后,高粱对独脚金的抗性显著提高。
2025-02-14 10:04
基于AI大模型及领域数据资源,构建基于PC端和手机端应用的科特派数字人“小科”,为用户提供随时在线、多终端访问、7×24小时全天候资源对接,全方位服务于北京城市科技创新与管理。
2025-02-13 09:36
新时代以来,我国以更高站位、更宽视野、更大力度来谋划和推进新征程生态环境保护工作,全力推动生态环境根本好转。
2025-02-13 03:40
新年伊始,DeepSeek成为“热词”,其在各领域的应用也引发思考和讨论。在科研领域,人工智能驱动科学研究的新科研范式随之到来,对构建开放创新生态提出了更急迫的要求。
2025-02-13 03:50
从个性化的珠宝饰品到复杂的航空零部件,3D打印展现出了巨大的创造力和应用潜力。然而,科技的探索永无止境,一种比3D打印更具突破性的技术——4D打印,正悄然兴起。
2025-02-13 03:50
当前,我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段,对生态环境的要求也越来越高。良好的生态环境不仅是自然财富、生态财富,更是经济财富、社会财富。
2025-02-13 03:40
中国人工智能发展与安全研究网络主办,上海期智研究院、清华大学人工智能国际治理研究院承办
2025-02-12 19:16
2025年,空天院合成孔径雷达科研团队将继续研制8颗“女娲星座”合成孔径雷达卫星,届时“女娲星座”20颗在轨雷达卫星将实现全球组网运行,对地观测能力将大幅提升。
2025-02-12 10:07
这并不是一辆普通的复古电车,而是一部使用了16K全息数字技术、AI技术与四轴动感震动系统的数字电车。
2025-02-12 10:06
科学家们发现,水波涉及复杂的流体力学效应,能够构造丰富的拓扑矢量场用于粒子的操控。
2025-02-12 09:59
通过打造与自然和谐共生的生态经济圈,让生态保护和可持续发展得以兼顾,天目山保护区的实践,吸引了越来越多的关注,也为全球生物多样性保护提供了可借鉴的路径。
2025-02-12 09:57
春节期间,全国科技馆以“科技温暖中国年”为主题,为公众献上一系列融知识性、趣味性和人文关怀于一体的科普惠民活动。
2025-02-12 09:53
2月6日晚,“共和国勋章”获得者、我国第一代核潜艇工程总设计师黄旭华院士因病在武汉逝世,享年99岁。
2025-02-11 14:55
气动外形优化是航空设计中的核心技术,可以提升燃油效率、降低阻力,提高飞行器性能。该几何引擎无需庞大的数据集或繁琐的超参数调整,大幅降低了开展气动优化的复杂度和成本。
2025-02-11 09:43
最近,原子能院自主研发的两步法650毫米直径冷坩埚玻璃固化工程样机,完成90天连续运行试验,收获约52吨玻璃固化体,高放射性废物(以下简称“高放废物”)可被“封印”其中。
2025-02-11 09:43
加载更多