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

  • 这就是今日的西藏

  • 神舟二十三号载人飞行任务新闻发布会举行

独家策划

推荐阅读
5月22日上午,在2026年文化强国建设高峰论坛“人工智能与媒体变革”分论坛上,中宣部副部长、国务院新闻办公室主任莫高义发表主旨演讲。
2026-05-22 13:22
中国科学技术大学何俊峰教授研究组与南方科技大学薛其坤院士、陈卓昱副教授研究组合作,在新型镍基高温超导的机理研究中取得重大突破。
2026-05-22 10:19
近年来,生产环节的技术革新,推动缝纫线产业转型向着上游拓展。
2026-05-22 10:19
在系列政策牵引下,学科专业动态调整正日趋常态化、精细化与特色化。
2026-05-22 10:14
“十五五”时期,如何推动我国生物多样性保护迈上新台阶?应着力在以下方面下功夫。
2026-05-22 10:13
当AI把数小时的工作压缩到转瞬之间,一个核心问题不得不让人思考:AI时代,未来教育最该培养学生什么能力?
2026-05-22 10:11
2026年亚太经合组织(APEC)贸易部长会议将于5月22日至23日在江苏省苏州市举办。苏州高新区镇湖绣娘姚琴华、岳琰创作的苏绣作品《朱荷图》《太湖一梦入姑苏》也一同展出。一根丝,在绣娘手中可以绣出江南山水;在现代工厂里,也可以进入高端面料、工业材料、绿色纤维和全球供应链。
2026-05-21 09:35
残障群体对无障碍环境建设最为敏感、利益最为攸关,但其话语权也相对较弱。不断完善相关法律体系,以充分保障残障群体在无障碍环境建设中各项权利。
2026-05-21 09:33
光,是宇宙中最神秘而又最常见的存在。从彩虹与翅膀的启示,到光子晶体与超材料的设计,人类在光学材料上的探索不断深化,实现了从“理解自然之光”向“设计与驾驭光”的飞跃。
2026-05-21 09:31
全球气候变化加剧,干旱灾害频发,正威胁世界粮食安全。
2026-05-21 09:30
2026年5月21日至23日,中国科学技术馆在河南省科学技术馆举办“全国科学家故事馆校众创展演活动”。
2026-05-21 09:27
近日,中国工程院院士、西安电子科技大学教授段宝岩率领团队自主研制的一对多动目标微波无线传能地面验证系统取得重大突破,在百米级距离实现了千瓦级的直流输出功率,直流—直流传输效率达到20.8%,波束收集效率高达88.0%。
2026-05-20 09:42
5月18日,随着“雪龙2”号凯旋,中国第42次南极考察圆满落下帷幕。
2026-05-20 09:37
逛一座馆,见证玻璃工业百年变迁。参观工业博物馆,一件件展品记录的是中国制造的发展史,是从落后到并跑、领跑的奋斗史。让我们以工业博物馆为支点,撬动工业旅游这个大市场,以工业文化涵养制造强国建设。
2026-05-20 09:34
近日,中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称天津工生所)糖生物合成与绿色制造攻关团队的研究成果被期刊接收。
2026-05-20 09:27
天津市河西区陈塘庄街道社区的医生向我们反馈,预警模式实现了高危人群的精准干预,社区脑卒中发病率与复发率明显下降。
2026-05-20 09:16
“雪龙2”号极地科考破冰船18日抵达上海,这标志着中国第42次南极考察圆满结束。
2026-05-19 09:54
5月18日,中国第42次南极考察圆满结束。中山大学共有4名老师参与本次任务——大气科学学院教授韩博,遥感科学与技术学院副教授梁琦、叶玉芳、王绍银。
2026-05-19 09:53
“琅琊”海洋大模型现已在国家海洋环境预报中心部署测试运行,实现实景应用。这意味着,这个从青岛走出的AI模型,开始真正为国家海洋预报工作贡献力量。
2026-05-19 09:52
打破传统学科分立格局,发挥工科见长优势,以工程需求催生基础研究、以基础研究赋能工科升级。
2026-05-19 09:50
加载更多