云南天文台揭示太阳低层大气中爆发式快磁重联的触发机制
来自中国科学院云南天文台太阳活动和CME理论研究团组的Abdullah Zafar博士、倪蕾和林隽研究员等人基于2.5D高分辨率磁流体动力学（MHD）模拟，发现在太阳低层大气部分电离等离子体环境中更快的动态Petschek式磁重联。他们的研究论文名为《揭示太阳部分电离等离子体中爆发式磁重联的触发机制》，最近被《天体物理学》杂志接收并发表。
磁重联是指在磁化等离子体中，磁场拓扑结构发生变化，导致磁能转化为等离子体动能、热能并加速高能带电粒子的物理过程。磁重联可以解释宇宙中各种磁能释放现象。在部分电离的太阳低层大气（光球和色球）中，磁重联过程能够触发许多短暂的瞬态事件，如埃勒曼炸弹（EBs）、紫外（UV）暴、色球喷流、篝火等，这些小尺度事件是加热太阳大气的主要来源。
磁重联领域的一个关键问题是如何理解磁重联过程中磁能快速转换的物理机制与物理图像。国际著名学者Sweet和Parker教授在半个多世纪之前首次尝试对稳态磁重联过程进行半定量的描述，得到著名的磁重联Sweet-Parker模型。该模型给出的磁重联速率与等离子体Lundquist 数（S）的平方根成反比。由于大多数天体物理环境（包括太阳大气）中的S值很高（106-1014），Sweet-Parker模型预测的磁重联速率远远低于实测数据。国际著名学者Petschek随后提出了另外一种稳态快速磁重联模型，其中磁重联速率与S的对数成反比，得到比Sweet和Parker快得多的磁重联速率。然而，维持稳态Petschek磁重联过程需要物理起因不明的空间非均匀分布的电阻。数值模拟研究表明，大S环境中的磁重联过程总是伴随等离子体团不稳定性的产生，磁重联区域发生碎片化，在磁流体力学尺度磁重联速率就可达0.01。但是比观测到的最大重联速率，0.1，仍然低了一个数量级。
Zafar等人的这个工作使用单流体辐射磁流体力学模拟，研究了在不完全电离的低层太阳大气（从光球到日冕底部）不同高度上的动态磁重联过程。结果显示，在所有模拟案例中，主X点的等离子体温度和密度在磁重联过程中会出现突然下降的情况，这与强的辐射冷却、热等离子体从主X点附近喷射出去或主X点从热的、高密度区域移动到冷的、低密度区域有关。这种温度和密度的显著下降导致压力衰减和X点处磁扩散系数的增加，从而导致动态Petschek式磁重联的出现，通常在等离子体团从重联电流片中喷出后发生。这项研究首次展示了在非完全电离的环境中由等离子体团不稳定性主导的磁重联过渡到爆发式的更快的动态Petschek式重联的物理过程，其最大速率能够达到0.06以上，明显高于等离子体团不稳定性主导的磁重联速率。这表明两种磁重联模式的交替出现显著改善了能量转换效率、提高了磁重联速率。
这项研究揭示了在磁流体力学尺度下非完全电离太阳等离子体中的爆发式快速磁重联的物理机制，获得与观测结果相近的极大磁重联速率。这些成果还有助于我们了解在其它非完全电离环境（如星际介质、原行星盘和实验室）中的快速磁能释放机制。
该研究成果得到了国家重点研发计划、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、兴滇英才支持计划青年人才专项、中国科学院战略性先导科技专项，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。数值计算和数据分析在合肥高级计算中心和云南天文台计算太阳物理实验室完成。
图1：磁重联速率随时间的演化：(a) 对于不同的初始磁扰动和相同的初始等离子体-β；(b) 对于不同的初始等离子体-β和相同的磁扰动；(c) 从光球到色球顶部，在相同的初始等离子体-β和相同的磁扰动条件下，在不同高度上的变化。
图2：(a) 在一个典型的模拟案例中，四个不同时间点的磁场（实线）和电流密度Jz（背景颜色）的二维分布；(b)-(g) 图展示的是a(iii)中沿着垂直黑色点线上多个物理量的分布图。黑色垂直点线穿过电流片左侧的一对慢模激波的波前。