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

  • 四川阿坝:春雪润高原

  • 女足亚洲杯:中国队晋级四强

独家策划

推荐阅读
多牵头国际大科学计划  牵头组织实施国际大科学计划,是中国推动世界科技创新、应对全球共同挑战的重要路径,也是深度参与全球科技创新治理、加快建设科技强国的战略举措。
2026-03-13 10:03
12日,十四届全国人大四次会议表决通过了《中华人民共和国生态环境法典》。非洲“绿色长城”毛里塔尼亚国家署官员艾莎·穆罕默德·布哈里·娜迪称赞说,生态环境法典体现了中国系统性应对生态和气候问题的“长期坚定承诺”。
2026-03-13 10:02
谈及国际深海矿产开发局势,孙黎表示,当前全球深海采矿虽处于试验阶段,但各国布局势头迅猛,竞争日趋激烈。潘越建议,司法应该向社会积极传递“损害必偿、犯罪必究”的清晰信号,为海洋经济高质量发展清淤护航。
2026-03-13 10:12
当春风拂过河套平原,“沉睡”一冬的黄河“醒了”。
2026-03-13 10:08
3月12日,十四届全国人大四次会议表决通过《中华人民共和国生态环境法典》。根据代表意见,法典中增加了关于鼓励和引导使用再生水、推进生活节水的规定,并对未经批准擅自取用地下水的违法行为提高罚款上限。
2026-03-13 10:04
助力人与自然和谐共生  “十五五”时期,推进长江经济带发展、黄河流域生态保护和高质量发展,是一项重要工作。
2026-03-13 10:03
光明日报北京3月12日电 记者张晓华12日从国家航天局获悉,天问三号火星取样返回任务通过前期的技术攻关和深化论证,相关关键技术均取得突破性成果,工程主线正在开展初样研制,计划今年转入正样研制阶段,各项工作进展顺利。
2026-03-13 10:02
电子的单向开关,奠定了现代信息社会的基石。“在单原子层厚的石墨烯上,刻出一个大小精确、形状不对称的孔,无异于在头发丝上雕巨型画作。
2026-03-13 10:01
“十五五”时期,香港要主动参与国家战略布局,将自身的国际化优势、专业服务优势与国家的发展需求精准对接,为实现更高水平的开放合作贡献香港力量。在科研方面,香港科研基础扎实,有实力承担国家重大科研任务;香港科学家对参与国家科技计划、推动国家科技创新怀有很高的热情和积极性。
2026-03-12 10:30
心脑血管疾病已成为威胁我国人民生命健康的“头号杀手”。与此同时,心脑血管疾病发病及致残、致死呈现出明显的年轻化趋势,疾病负担持续加重,对我国推进健康中国建设、实现全民健康目标构成了挑战。
2026-03-12 10:30
对此,应该充分发掘当地的生态价值和文化价值,探索因地制宜的保护路径,保留浓郁“农味”与“地方味”,让古老农耕智慧、生态智慧在当代生活中延续生机、展现活力。这样不仅有助于实现农文旅融合发展,还能给我们的子孙后代保留良好的生态环境和生态景观,接续传承好丰厚灿烂的生态文化。
2026-03-12 10:30
今年政府工作报告提出,深化拓展“人工智能+”,促进新一代智能终端和智能体加快推广,推动重点行业领域人工智能商业化规模化应用,培育智能原生新业态新模式。张壮代表说,在竞逐人工智能创新的赛道上,柳州加速布局。
2026-03-12 10:30
记者詹媛11日从中国科技馆了解到,我国的科普大篷车项目自2000年启动实施以来,以“科普轻骑兵”的方式活跃在祖国大江南北,将前沿科技动态、趣味互动展品、优质科教资源送到基层公众身边。
2026-03-12 10:30
“龙虾”智能体通过整合调用通信软件和大语言模型,在用户本地电脑自主执行文件管理、邮件收发、数据处理等复杂任务。”魏亮说,有关方面也会持续做好安全监测,如发现相关安全风险将及时预警,为用户安全使用提供必要的技术支持。
2026-03-11 09:36
作为人类的“第二大脑”,AI for Science正在全球范围内引发科研范式的深刻变革,也成为全国两会期间代表委员关注的话题。3月7日,在全国政协十四届四次会议第二次全体会议上,全国政协委员、中国科学院院士周志华发言建议,以人工智能引领科研范式变革。
2026-03-11 09:36
全国政协委员、中国科学院院士、南京大学副校长周志华在接受光明网记者采访。
2026-03-11 07:00
以医工交叉+成果转化为抓手,凭借硬核科创成果精准攻坚,同时高标准建设国家药监局监管科学创新基地,为产业发展提供标准与工具支撑。
2026-03-11 09:33
作者:余有成 张立华 吴 飞(分别系中国人工智能学会副秘书长;复旦大学智能机器人研究院常务副院长、特聘教授;我国的独特优势,在于探索出一条“软件定义算力、算法驱动效能、人工智能+赋能场景”的创新路径。
2026-03-11 09:32
具体而言,在种植与流通环节,中药农业面临良种普及率不高、生产种植分散、标准化程度偏低等现实问题。可制定国家统筹的野生资源抚育与替代技术攻关清单,利用大数据监测价格与供给波动,增强产业链供应链韧性。
2026-03-11 09:31
光明日报北京3月10日电 记者张晓华从中国航天科技集团获悉,目前中国探月工程四期正稳步推进,2026年将研制发射嫦娥七号探测器,首次奔赴月球南极,寻找水冰存在的证据。中国航天科技集团五院研究员孙泽洲表示,在行星探测方面,未来我国还将发射天问三号和天问四号。
2026-03-11 09:30
加载更多