太陽(yáng)耀斑是我們太陽(yáng)系中最猛烈的爆炸之一，但盡管它們具有巨大的能量——相當(dāng)于同時(shí)引爆一千億顆原子彈——物理學(xué)家仍然無(wú)法準(zhǔn)確回答太陽(yáng)上這些突然爆發(fā)的確切原因能夠在一小時(shí)內(nèi)將粒子發(fā)射到近 9300 萬(wàn)英里外的地球。
現(xiàn)在，在 6 月 8 日發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究中，新澤西理工學(xué)院 (NJIT) 的研究人員已經(jīng)確定了太陽(yáng)耀斑帶電粒子加速到近光速的精確位置。
通過(guò) NJIT 的擴(kuò)展歐文斯谷太陽(yáng)陣列 (EOVSA) 射電望遠(yuǎn)鏡在 2017 年對(duì) X 級(jí)太陽(yáng)耀斑的觀測(cè)，這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)成為可能，揭示了一個(gè)高效的粒子加速器，位于火山噴發(fā)最亮點(diǎn)的尖端。太陽(yáng)的外層大氣，稱為耀斑的“尖端區(qū)域”，爆炸的環(huán)境等離子體在此轉(zhuǎn)化為高能電子。
研究人員表示，該區(qū)域的發(fā)現(xiàn)體積幾乎是地球的兩倍，可以為研究宇宙中普遍存在的粒子加速基本過(guò)程打開(kāi)新的大門。
“這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)有助于解釋太陽(yáng)耀斑如何在幾秒鐘內(nèi)產(chǎn)生如此多能量的長(zhǎng)期謎團(tuán)，”該論文的通訊作者、新澤西理工學(xué)院日地研究中心杰出的物理學(xué)研究教授 Gregory Fleishman 說(shuō). “耀斑在比經(jīng)典太陽(yáng)耀斑模型預(yù)期的更廣闊的太陽(yáng)區(qū)域釋放能量。盡管其他人假設(shè)這一定會(huì)發(fā)生，但這是該關(guān)鍵區(qū)域的具體大小、形狀和位置首次出現(xiàn)已經(jīng)確定，并且已經(jīng)測(cè)量了耀斑內(nèi)能量轉(zhuǎn)換為粒子加速的效率。”
這一發(fā)現(xiàn)是在 2020 年發(fā)表在《科學(xué)與自然天文學(xué)》上的單獨(dú)研究之后進(jìn)行的，其中 EOVSA 對(duì)耀斑和太陽(yáng)磁場(chǎng)變化的詳細(xì)快照——一次以數(shù)百個(gè)無(wú)線電頻率拍攝——最初使 NJIT 團(tuán)隊(duì)在該位置上處于領(lǐng)先地位.
“我們最近的研究表明，耀斑尖端可能是產(chǎn)生這種高能電子的位置，但我們不確定，”新澤西理工學(xué)院副教授、該論文的合著者陳斌解釋說(shuō)。“我們最初在該地點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)磁性瓶狀結(jié)構(gòu)，與耀斑中的其他任何地方相比，它含有大量的電子，但現(xiàn)在通過(guò)這項(xiàng)研究的新測(cè)量，我們可以更有信心地說(shuō)這是耀斑的粒子加速器。''
使用 EOVSA 獨(dú)特的微波成像能力，該團(tuán)隊(duì)能夠在 2017 年 9 月 10 日沿太陽(yáng)表面的磁力線重新配置觸發(fā)的 X 級(jí)太陽(yáng)耀斑的數(shù)百個(gè)位置測(cè)量電子的能譜。
“EOVSA 的光譜成像為我們提供了耀斑熱等離子體逐秒演化的綜合地圖。但令我們驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)的是熱等離子體圖中的一個(gè)神秘洞，它開(kāi)始在耀斑的尖端發(fā)展，”說(shuō)Gelu Nita，新澤西理工學(xué)院研究教授和該論文的合著者。“更重要的是，隨著該區(qū)域的熱粒子消失，該洞隨后被非熱高能粒子密集填充。”
該團(tuán)隊(duì)的分析揭示了太陽(yáng)耀斑的粒子加速器內(nèi)一個(gè)非常有效的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，來(lái)自太陽(yáng)磁場(chǎng)的強(qiáng)烈能量被迅速釋放并轉(zhuǎn)化為該區(qū)域內(nèi)的動(dòng)能。
“我們想知道這種能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的效率有多高……這個(gè)區(qū)域有多少粒子會(huì)被加速超過(guò)爆炸的熱能?” 研究合著者、新澤西理工學(xué)院助理研究教授余思杰補(bǔ)充道。“使用太陽(yáng)的極紫外數(shù)據(jù)，我們證實(shí)，在低于幾百萬(wàn)開(kāi)爾文的熱能下，該區(qū)域內(nèi)幾乎沒(méi)有任何粒子，這與 EOVSA 測(cè)量結(jié)果一致，即粒子都被加速到大于 20 keV 的非熱能，或近 1 億開(kāi)爾文。”
該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在表示，這些最新發(fā)現(xiàn)可以幫助科學(xué)家研究在地球上不可能發(fā)生的粒子物理學(xué)的基本問(wèn)題，并為未來(lái)太空天氣事件中來(lái)自太陽(yáng)的這種高能粒子如何影響地球提供新的見(jiàn)解。
“這項(xiàng)研究的一個(gè)重要方面是，它將理論家的注意力引導(dǎo)到發(fā)生大部分能量釋放和粒子加速的精確位置，并提供定量測(cè)量來(lái)指導(dǎo)數(shù)值模型，”NJIT 杰出教授兼主任 Dale Gary 說(shuō)。 EOVSA。“然而，為了將我們的測(cè)量擴(kuò)展到更廣泛的耀斑區(qū)域和更弱但更頻繁的耀斑事件，我們正在開(kāi)發(fā)一種稱為頻率捷變太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡的下一代太陽(yáng)能專用無(wú)線電陣列，它的體積將至少大 10 倍，并訂購(gòu)更強(qiáng)大的數(shù)量級(jí)。”
“我們?nèi)匀幌胙芯框?qū)動(dòng)太陽(yáng)耀斑中粒子加速的物理機(jī)制。但未來(lái)的研究必須解釋我們現(xiàn)在對(duì)這些巨大爆炸的了解——包括尖端區(qū)域的主要能量釋放和帶電粒子的 100% 效率發(fā)生加速，”弗萊什曼說(shuō)。“這些發(fā)現(xiàn)要求對(duì)我們用來(lái)研究太陽(yáng)耀斑及其對(duì)地球影響的模型進(jìn)行重大修改。”
這項(xiàng)研究得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的資助。
