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云南天文台成功建立计算太阳抵近探测器穿越CME-耀斑电流片概率的模型
2023-12-14  |  作者:  |  【  】 【打印】 【关闭

  近日,天文学国际期刊《天体物理学期刊增刊》(The Astrophysical Journal Supplement Series)发表了中国科学院云南天文台“太阳活动和CME理论研究团组”的最新研究成果,该研究由博士研究生陈雨豪与林隽研究员等人共同完成。他们研究了“帕克太阳探针”(简称 PSP)飞行器在太阳爆发期间穿越其能量释放核心区——日冕物质抛射(CME)-耀斑电流片的可能性,定量研究了穿越概率对PSP和类似探测器轨道参数的依赖,为日后太阳抵近探测器实地探测CME-耀斑电流片提供了理论支持。
  太阳爆发是太阳系中最剧烈的能量释放过程,一次典型的爆发活动相当于几十亿颗巨型氢弹同时爆炸。林隽研究员与其导师Terry Forbes教授共同建立的Lin-Forbes模型在国际上首次定量描述了CME与耀斑之间的物理联系,指出二者之间的磁重联电流片是太阳爆发能量释放的核心结构。这些结果均获得观测证实。林隽带领团队根据观测资料进一步测量了电流片厚度,发现其远超经典理论预期,说明实际爆发过程中发生的磁重联远比经典理论预计的复杂。为了全面揭示CME-耀斑电流片的真实的几何尺度与内部精细结构、完全平息关于厚度的争论,唯一的办法就是将探测器送到太阳附近,实地探测电流片。 PSP是目前唯一有可能实现该目标的在轨飞船,其轨道平面几乎与黄道面平行,近日点在10个太阳半径附近。
  为了研究PSP和类似飞行器穿越CME-耀斑电流片的概率,该工作利用观测数据,并根据Lin-Forbes模型构建了一个简化的电流片几何模型(见图1),完成了对穿越概率的计算。结果表明:在太阳活动峰年,PSP一年内预计穿越电流的次数为1.4次,并且很难以大角度穿越电流片,非常不利于直接探测电流片厚度。为彻底解决这一科学问题,云南天文台牵头提出了我国未来的空间探日计划:“太阳抵近探测计划(简称 SCOPE)”。根据计算,距离太阳更近(近日点在5个太阳半径附近)、轨道更为倾斜(轨道倾角约为65°)的SCOPE探测器更有利于探测电流片(见图2)。结果表明,SCOPE在太阳活动峰年期间,一年内平均可穿越电流片4次,并且可以大角度穿过电流片。
  
图1 简化的电流片几何位型,见图中红色三角形结构。该模型考虑了电流片产生的经纬度、寿命、延长的速度、半角宽度、以及其与当地纬线的倾角。模型假设电流片与爆发前的暗条(“F”)位于同一平面。
图2 大倾角轨道有利于穿越CME-耀斑电流片。图中黑色短线代表爆发前暗条的走向。与其垂直的轨道(红色线)更容易穿过暗条爆发后产生的电流片。统计研究表明,大部分暗条的走向倾向于平行于当地纬线,因此大倾角轨道更有可能实现穿越。 
  该工作获得了国家重点研发计划、中国科学院战略先导(A)类研究项目、国家自然科学基金委重点项目、云南省高层次人才培养支持计划-云岭学者项目、云南省太阳物理科学家工作室项目的支持。数值计算完成于云南天文台计算太阳物理实验室。
  

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