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:太阳射电斑马纹——条纹之美与耦合之谜
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

太阳射电斑马纹——条纹之美与耦合之谜

来源:光明网2021-08-23 15:39

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  自从上个世纪四十年代美国科学家Grote Reber利用自制的9.45米口径抛物面射电望远镜首次观测到很强的太阳射电信号并开启了太阳射电天文学以来,以时间为x轴、频率为y轴、并以太阳射电辐射流量表示亮温度的的太阳射电动态频谱一直是我们揭示太阳射电爆发过程中的动力学特征的重要依据。

  在太阳活动事件(耀斑、暗条爆发、日冕物质抛射等)中,射电辐射也会发生显著增强。并在高时间-频率分辨率的动态频谱图上形成丰富多彩的频谱精细结构。这些精细结构通常叠加在增强的连续谱背景上,具有持续时间短、变化快、亮温高、结构复杂等特征。

  图1是上世纪五十年代在米波段观测到的准平行条纹状太阳射电频谱结构,这些美丽的条纹被形象地称之为斑马纹结构(ZebraPattern)。斑马纹结构是太阳射电频谱精细结构中最复杂也最引人注目的,表现为几条至几十条准平行、近似等间距的条纹状结构,亮暗条纹之间的间隔有时会随频率而变化。

太阳射电斑马纹——条纹之美与耦合之谜

图1. 二十世纪五十年代观测到的米波斑马纹结构。(图源:Elgarӧy,O.,1959,Nature,184,887)

  最初,人们主要在米波和十米波段开展太阳射电斑马纹结构的观测研究。到二十世纪末,随着中国太阳射电宽带动态频谱仪(SBRS)(昆明0.65-1.50GHz、怀柔1.10-2.06GHz、2.60-3.80GHz、5.20-7.60GHz,以及南京4.50-7.50GHz)和捷克的Ondřejov频谱仪(0.8-5.0GHz)的建成并投入观测,大量高时间-频率分辨率的斑马纹事件被陆续观测到,吸引了许多太阳射电天文学家和理论家们的高度关注。

  相较于米波-十米波波段,分米-厘米波段的辐射源区更接近太阳爆发能量的初始释放区域。由于射电辐射的观测特征(强度、频率、谱形等)与辐射源区的磁场、等离子体、高能粒子的加速与传播密切相关,所以,发生在微波波段的射电频谱精细结构可以用来诊断爆发事件源区的物理性质。

  图2是怀柔太阳射电宽带动态频谱仪观测到2002年4月21日的X1.5级耀斑事件中的斑马纹。如果我们将该频谱图的局部区域放大,如图3所示,将发现斑马纹的亮条纹其实是由许多准周期性的超精细脉动结构构成的,即斑马纹结构中还存在着超精细结构。

太阳射电斑马纹——条纹之美与耦合之谜

图2. 怀柔太阳射电宽带动态频谱仪(SBRS)观测到的2002年4月21日X1.5级耀斑事件中的斑马纹结构(图源:谭程明)

太阳射电斑马纹——条纹之美与耦合之谜

图3. 图2斑马纹局部放大,可见斑马纹的条纹是由许多准周期性的超精细脉动结构构成的(图源:Chen& Yan, 2007, Solar Physics, 246, 431)

  那么,太阳射电斑马纹结构是如何形成的呢?由于其极高的辐射亮温度,必然与某种相干辐射过程相关联。其中,等离子体中的Langmuir波的耦合是被大家讨论得最多的一种机制。高能电子束驱动的尾瘤不稳定性在等离子体中产生强Langmuir波,Langmuir波与等离子体中的其他波模耦合,将转换为可逃离源区的基频和各次谐频发射,从而形成准平行的条纹状结构。例如,伯恩斯坦模型认为所有的斑马纹都源自环顶一个较小的致密源区中Langmuir波与伯恩斯坦波的耦合,形成的条纹间距相同。

  哨声波模型提出等离子体Langmuir波可以和哨声波发生耦合,形成的条纹间距和哨声波频率相关,各条纹间的条纹间距可以不同,且哨声波可以解释同是条纹状辐射的纤维结构和斑马纹结构之间的转变。另外,还有基于等离子体中高混杂波与某一谐次的电子回旋波的共振耦合的双共振模型,该模型认为斑马纹的源区是沿磁流管分布的一个展源,各条纹产生于磁流管内的不同共振高度,条纹间距取决于磁场和等离子体密度随空间的变化特征。

  图4和图5为陈彬等人利用美国欧文斯谷太阳射电阵和三面测试天线观测得到的斑马纹结构,结合多波段观测和磁场外推方法得到的活动区磁场位型以及斑马纹辐射源区的可能位置。

太阳射电斑马纹——条纹之美与耦合之谜

图4. 左图为美国欧文斯谷太阳射电阵和三面测试天线观测到的斑马纹结构,右图的等值线表示4.6-6.3GHz频段射电辐射,虚线圆圈内三条直线的交点给出了斑马纹源区位置,背景是日本日出卫星观测到的太阳像(Ca II H)(图源:Chen etal., 2011, ApJ,736,64)

太阳射电斑马纹——条纹之美与耦合之谜

图5. 将斑马纹和连续谱的辐射源区叠加在磁场外推的结果上。图中乘号和三角符号分别表示连续谱和斑马纹的源区位置。左图是俯视图,右图是侧视图。(图源:Chen et al., 2011, ApJ,736,64 )

  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和美国欧文斯谷日像仪EOVSA的投入观测,以及太阳第25周活动峰年的到来,我们有望在射电波段看见斑马纹的空间轮廓,获得辐射源区的位置和空间结构信息,得到高能粒子空间演化的动力学特征以及辐射源区磁场和等离子体的信息。新数据的获得将为解开太阳射电斑马纹的形成之谜带来全新的视角,并进一步推动太阳物理和等离子体物理基本理论的发展。

  作者简介:张印,中国科学院国家天文台副研究员,主要从事太阳磁场和太阳射电的研究。

  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

  • 探访牛河梁国家考古遗址公园

  • 山东青岛:加紧生产欧洲空调订单

独家策划

推荐阅读
最初,动画和实拍泾渭分明,然而随着手工转描、仿真合成、运动捕捉这类手段的引入,动画和实拍开始相互渗透。AI对动画与实拍的缝合,会将影像艺术彻底引向“泛动画”的时代。
2026-08-05 09:33
衣服透气不闷汗、个性化定制汽车交付快、人形机器人型号多,商品性能更好、生产效率更高、创新活力更足……近年来,这些生产生活中的变化,折射出纳米制造、柔性制造、共享制造等新趋势。
2026-08-05 09:26
在这样的微观世界里,科学家操控原子和分子,设计制造具有特殊性能的新材料、新器件,这就是纳米制造。目前,纳米制造已经实现在原子分子量级设计新材料,按需定制材料的储能、催化、防腐、导电等特性,突破传统制造的性能天花板。
2026-08-05 09:26
近日,中国农业科学院都市农业研究所联合国内外科研单位,发现了改良生菜体内的营养和风味物质的基因密码。生菜在被人类驯化与改良的漫长过程中,口感和营养发生显著变化,这背后离不开关键基因的“调控”。
2026-08-05 09:24
当地时间3日,在意大利佛罗伦萨举办的第46届国际空间研究委员会(COSPAR)科学大会上,中国气象局王劲松研究员荣获威廉·诺德伯格奖章。王劲松是首位获此殊荣的中国科学家,并同步获得一颗小行星命名。此次获奖表明,我国空间科学与应用领域研究成果获得国际学术界高度认可。
2026-08-05 07:40
石墨烯,单层碳原子排成的蜂窝薄膜,薄到极致。但把它一层层摞起来时,层与层之间如何错位——用专业术语叫作堆垛方式——会彻底改写材料的“脾气”。
2026-08-04 03:05
中国石化重庆川维化工公司5万吨/年特种聚乙烯醇(PVA)树脂装置日前顺利一次开车成功并产出合格产品,首批货品已发往欧洲。至此,川维化工PVA总产能达21万吨/年,跃居全球单一工厂中最大的高端PVA生产基地。
2026-08-04 03:05
菱方堆垛的石墨烯有一个天然“超能力”:电子彼此间的相互作用强,集体表现出超导、磁性等奇特行为。这在物理学上叫“强电子关联”——电子不再是各自乱跑的粒子,而是有着充分沟通的步调一致的集体,像一支训练有素的“乐队”。
2026-08-04 03:05
今年上半年,人工智能领域一系列标志性成果密集落地。在技术、应用、生态、治理的协力牵引下,人工智能产业迸发出前所未有的发展活力,赋能实体经济的成效持续凸显。
2026-08-04 09:31
近日,由人力资源社会保障部、安徽省人民政府共同主办的“创赢未来”创业大赛(以下简称“大赛”)全国赛在安徽合肥圆满收官。在大赛同步举办的创业安徽成果展区,一瓶瓶单原子农药整齐陈列,它们同样是“人工智能+创业”的杰作。
2026-08-04 09:31
日前,华中科技大学同济医学院基础医学院郭峥教授团队首次证明:干细胞能够通过表观遗传机制“记忆”自身的分裂次数,像精密仪器般严格遵循着“8+1”的分裂计数规律。
2026-08-03 03:15
伴随着一阵嗡鸣声,国姓岙码头,满载饵料的农业无人机腾空而起,飞向远处的大黄鱼养殖基地。“引入农业无人机后,作业效率提升3倍以上,每年每个网箱预计可节约管理成本约5000元。
2026-08-03 09:16
中国气象局总工程师潘进军表示,中国气象智能预警方案“妈祖”,正发展为面向发展中国家的共享型、可定制、可持续的国际公共产品。
2026-08-03 09:15
碳计量是实现“双碳”目标的基础性工作,是科学核算碳储量、规范碳汇交易、推动生态产品价值实现的关键支撑。
2026-08-03 09:15
提高科技创新投入效能的关键,在于改革科研经费管理和评价机制。科技创新投入效能的提高,是关乎国家创新体系整体效能的系统工程。
2026-08-03 09:14
量子科技是新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。近年来,一批量子科技成果走向实践,展现出巨大的应用潜力。
2026-08-03 09:12
7月30日,国家能源局发展规划司副司长邢翼腾在新闻发布会上表示,上半年,国内油气供应总体平稳有序,电力供应保障基础进一步夯实,全国发电装机容量突破40亿千瓦,规模远超世界其他主要经济体。
2026-07-31 03:20
夏日贵阳,清风送爽,“中国数谷”又要迎来一场数字经济领域的年度盛会。8月28日至30日,2026中国国际大数据产业博览会将在此举办,目前各项筹备工作已进入全面冲刺阶段。
2026-07-31 03:40
“十五五”规划纲要围绕“加快高水平科技自立自强,引领发展新质生产力”作出专篇部署,明确提出“推动科技创新和产业创新深度融合”。
2026-07-31 03:40
“十五五”开局,第一个经济半年报发布,以高端制造、数智经济、现代服务为代表的新动能对经济增长的贡献超过40%。其中释放出鲜明信号,科技创新正加速赋能经济高质量发展。
2026-07-31 03:40
加载更多