新研究揭示太阳爆发中心能量释放区域的奥秘
中国科学院云南天文台太阳活动与CME理论研究组的研究人员，参与了对耀斑电流片内的磁场分布和相对论电子加速特征的射电观测，相关研究成果于2020年7月27日发表在国际天文学杂志《自然.天文》（Nature Astronomy）上。该项工作由美国新泽西理工学院（简称NJIT）陈彬教授团队领导，云南天文台林隽研究员和其他同事共同合作完成。
太阳爆发，是太阳系中最剧烈的能量释放过程，其中一般伴随着耀斑和日冕物质抛射现象（图1）。在标准的耀斑模型中，大尺度电流片一般被认为是磁能快速释放和粒子加速的中心引擎，其中发生的磁重联则是磁能向其它能量转换的核心过程。但由于缺乏针对电流片附近磁场性质和高能粒子的观测，耀斑能量释放和粒子加速的位置及机制等关键问题始终得不到解决。
陈彬等人利用欧文斯谷太阳阵列（EOVSA）数据和基于Lin-Forbes太阳灾变模型的数值实验（图2右），分析了发生在2017年9月10日的X级耀斑爆发事件中电流片附近的微波辐射特征（图2左）。
他们发现，电流片磁场在重联X点上表现为局部最大值，而在电流片底部和耀斑环顶之间的区域（又称作磁瓶）表现为局部最小值。微波能谱观测图像表明，超过99%的相对论电子的加速或者聚集的位置极有可能是发生在耀斑环顶的磁瓶区域，而非重联X点附近。这些结果既为最终解决耀斑过程中粒子加速的问题提供了直接的观测证据，也进一步证实了由林隽研究员等人发展的Lin-Forbes模型的正确性。
Lin-Forbes模型是有关太阳爆发的理论模型，它定量描述了太阳爆发过程中磁场结构的整体演化及其与磁重联过程之间的物理关系，经常被太阳物理学家用于帮助解释观测现象、解释相应的物理图像、理解其背后的物理本质。
这项研究成果是国际学术交流的一个良好示范。陈彬教授及其合作者着手开展上述研究之际，林隽研究员恰好在美国哈佛-史密松天体物理中心(简称CfA)进行为期1个月的学术访问。在与哈佛-史密松天体物理中心的同事，沈呈彩博士与Katharine Reeves博士（也是上述工作的合作者）的交流中，林隽研究员了解到陈彬教授正在开展的工作。随后，林隽研究员与沈呈彩博士应邀与陈彬教授进行了一次电视会议。会上陈教授向林隽研究员介绍了上述工作的主线，并讨论了有关磁重联X点的理论位置、等离子体和磁场运动特征、高能粒子加速效率最高的区域等与Lin-Forbes模型关系密切的问题。在陈教授的热情邀请下，林隽研究员加入了陈教授的团队，并与团队其他成员一道通力合作，最终圆满完成了这项研究工作。
林隽研究员的工作得到了国家自然科学基金委员会重点项目、中国科学院战略性先导科技专项（A类，鸿鹄专项）、中国科学院重点前沿创新项目、云南省创新团队培育项目、云南省高层次人才培养支持计划-云岭学者项目的资助。
图1.本项工作研究的日冕物质抛射的整体磁场位形和微波辐射区域。连续曲线是由理论模型给出的磁力线。左边的地球用来做尺度对比。原图由NJIT陈彬和余思捷以及NASA太阳动力学天文台提供。
图2.爆发过程中产生的耀斑和日冕物质抛射、相应的磁场结构和其中的精细物理过程。连续曲线是由理论模型给出的磁力线。右上角的地球用来做尺度对比。原图由NJIT陈彬和余思捷以及NASA太阳动力学天文台提供。