云南天文台发现部分电离太阳低层大气中存在等离子团不稳定性磁重联

中国科学院云南天文台太阳活动和CME理论研究团组博士研究生程冠冲、倪蕾研究员及合作者，运用多波段高分辨观测和数值模拟相结合的研究方法，为等离子体团不稳定性磁重联存在于太阳低层大气部分电离环境下提供了清晰和全面的证据。相关研究成果“Evidence for Plasmoid–mediated Magnetic Reconnection during a Small–scale Flare in the Partially Ionized Low Solar Atmosphere”近期发表在《天体物理学杂志-通讯》（The Astrophysical Journal Letter）期刊上。

从低温的光球到高温日冕，太阳大气中存在大量的不同尺度的磁重联爆发现象，这些活动发生时磁能快速被转化为等离子体的体动能、热能并加速高能粒子。现观测到的太阳爆发活动对应的磁雷诺数都非常高（约等于或远大于10⁶），在宏观的磁流体力学尺度，无论是经典的稳态Sweet-Parke模型还是Petschek模型，都无法很好地、自洽地解释这些太阳爆发中的快速磁能释放过程。大量的数值模拟结果表明，高磁雷诺数、稀薄等离子体环境下的磁重联过程中，电流片通常由于等离子体团不稳定性（撕裂模的非线性阶段）的存在而被碎裂成无数更小尺度的碎片电流片，由于多个重联X点的存在，即便没有包含离子惯性尺度以内的精细物理机制，也可以在磁流体力学尺度得到快磁重联率，从而解释太阳爆发的快速磁能释放过程。等离子体团不稳定性的级联过程是连接大尺度爆发和最终的小尺度耗散的关键桥梁。

在等离子体实验室、地磁层已经探测到了等离子体团不稳定性磁重联的存在，大量的高分辨率观测数据也发现了大尺度太阳活动中，例如CME-耀斑电流片中存在远离和朝向太阳表面运动的等离子体团结构。尽管部分电离磁重联数值模拟结果表明等离子体团不稳定性也存在于太阳低层大气的低温磁重联过程中，但由于观测手段的限制，证明部分电离环境下的重联过程中也存在着等离子体团不稳定性的观测证据还非常少。

本研究利用大熊湖天文台GST的高分辨率Hα波段的观测资料，联合SDO的观测数据、磁场外推以及高精度的二维数值模拟，对一个横跨太阳低层大气和低日冕区域的小尺度磁重联事件进行追踪和诊断。在一个长约2Mm的小尺度电流片中，本研究在Hα线翼的成像观测中发现了尺度约为150km的等离子体团状结构，其向下运动，最大速度为24 km s^-1，随后与重联后环区域作用速度减小，导致该区在多个波段增亮形成耀斑。磁流体力学数值模拟进一步证实了该物理场景。

研究结果为弱电离环境中等离子体团不稳定性磁重联的存在提供了清晰而且全面的观测证据，推动了部分电离环境下磁重联机制的研究。同时，该研究也为等离子体团不稳定性普遍存在于太阳爆发活动以及从低色球到日冕中不同尺度的太阳耀斑统一模型补上了关键的一环。

该研究成果得到了中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项（B类先导专项）、国家自然科学基金面上项目、中国科学院青年创新促进会优秀会员人才项目、云南省高层次人才培养支持计划-青年拔尖人才项目、云南省基础研究计划重点项目、云南省太阳物理科学家工作室、云南省太阳物理和空间科学重点实验室等项目的支持。数值计算完成于云南天文台计算太阳物理实验室。

论文链接

图一：三个不同时刻的重联区域的观测结果。每一列分别是Hα线翼的观测图像，锐化后的Hα线翼的观测图像，时间差分后的Hα线翼观测图像以及AIA 171 Å 观测图像。

图二：三个不同时刻的高精度二维磁流体动力学的模拟结果，每一列分别是温度分布，密度分布，电流密度分布和垂直于太阳表面方向的速度分布。