云南天文台近日空间中日冕物质抛射模拟研究取得新进展
中国科学院云南天文台“太阳活动及CME理论研究”团组成员梅志星副研究员及其合作者,通过大尺度三维磁流体动力学(MHD)数值实验研究了日冕物质抛射(CME)事件中三分量结构的形成和演化过程,相关研究成果于近期发表在美国天文学期刊《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)上。
白光日冕仪观测到的日冕物质抛射(CME)中,约30%呈现出三分量结构。由于CME具有丰富的观测特征,精确描述三分量结构的形成和演化过程仍然是一个挑战。目前,CME亮前沿通常被认为是由于爆发磁结构引起的周围等离子体的密度增强,但磁结构演化如何导致CME亮前沿密度增强的机制尚不清楚。梅志星等人最近拓展了他们之前关于CME亮前沿的工作,采用球形坐标系中的径向拉伸计算网格,整合Parker太阳风分析解模型,针对爆发磁通量绳(MFR)在太阳风主导的近日空间中的大尺度演化开展了三维磁流体力学(MHD)数值模拟。在早期阶段,新的模拟几乎重复了先前的结果,即爆发MFR和CME泡状结构与周围磁场相互作用,导致环绕着MFR的螺旋电流边界(HCB)的出现(见图1)。随后,MFR和CME泡自洽地传播到距离太阳中心几个太阳半径以外的更大区域,其演化过程同样类似于早期阶段。HCB持续生长和向外传播,并可以在整个近日空间被追踪到。
采用Forward Modelling图像合成技术,他们获得了基于模拟数据的Large Angle and Spectrometric Coronagraph (LASCO) C2/C3和Mauna Loa Solar Observatory (MLSO) K-Coronagraph(K-cor)白光日冕仪图像。在合成图像上,我们可以观测到HCB作为明亮的前沿特征持续向外传播(见图2和3)。因此,新的模拟研究进一步支持先前提出的理论,即将HCB作为形成CME亮前沿特征的物理机制。
该研究工作在国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金天文联合基金项目、中国科学院“西部之光”西部青年学者和云南省“兴滇英才支持计划”青年人才的支持下完成。
图1 z=0平面上电流分布的大尺度演化快照(t=0.5, 1, 2, and 4),展示了MFR、HCS和快激波在近日空间中的传播过程。这里长度的无量纲化单位是一个太阳半径,即69.6万公里;时间的无量纲化单位时1.7小时。
图2 视场为1.05至3个太阳半径、在t=0.2（左）和0.2（右）时刻的MLSO K-cor白光合成图像 。
图3 视场为2至7个太阳半径、在t=0.5（左）和1（右）时刻的Lasco C2白光合成图像 。