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又进步啦:最新研究揭示了太阳耀斑,再一次完善教科书上的模型!

2022-03-02 13:39     来源:博科园     环顶硬X射线源 X射线

鲁汶大学的等离子体天体物理学家,首次对太阳耀斑期间发生的物理过程进行了自洽模拟。研究人员使用了佛兰芒超级计算机和一种新的物理模型组合。太阳耀斑是太阳表面的爆炸,可以释放出巨大的能量,相当于一万亿颗“小男孩”原子弹同时爆炸。在极端情况下,太阳耀斑可以使地球上的无线电连接和发电站瘫痪,同时太阳耀斑也是基于令人惊叹的太空天气现象。

例如,极光与太阳耀斑联系在一起,太阳耀斑干扰太阳磁场,以至于太阳等离子体的气泡可以从太阳大气层中逃逸出来。多亏了卫星和太阳望远镜,科学家已经对太阳耀斑期间发生的物理过程有了相当多的了解。首先,知道太阳耀斑非常有效地将磁场中的能量转化为热能、光能和动能。在科学教科书中,这些过程通常被视作标准的二维太阳耀斑模型。然而,这幅插图的细节从未得到证实,这是因为创建完全一致的模拟是一个巨大挑战。

因为宏观效应(我们在这里谈论的是数万公里:比地球还大)和微观粒子物理都必须被考虑在内。昆士兰大学鲁汶分校的研究人员现在已经能够创建这样的模拟,研究人员使用了佛兰芒超级计算机的计算能力,以及一种新的物理模型组合,在宏观模型中考虑了加速带电粒子的微观效应。从教科书插图到自洽模型,研究也使得计算太阳耀斑的能量转换效率成为可能。可以通过将耀斑下太阳磁场的强度与移动速度结合起来来计算这种效率。

完善教科书上的模型

如果能及时完成观测,那是因为一切都发生在几十秒到几分钟的时间跨度内。研究将数值模拟的结果转换成对太阳耀斑的虚拟观测,从而模拟所有相关波长的望远镜。这使研究人员能够将标准的太阳耀斑模型从教科书插图升级为实际模型。“标准太阳耀斑模型”收集了太阳多波长观测确定的所有物理成分:磁重联、快速粒子加速,以及由此产生的各种波长辐射,特别是在软到硬X射线通道中。

经典模型在太阳和等离子体天体物理学的教科书中随处可见,并指导对其他恒星、吸积盘和喷流上未解决的高能耀斑事件。到目前为止,缺乏一个完全自洽的模型来再现所有方面的标准情景,因为这需要大规模、多维的磁流体(MHD)等离子体描述与现实快速电子处理相结合。研究展示了一种新的组合,其中多维磁流体与解析快电子模型相结合,该模型经过调整以处理时间演化、重新连接的磁场和粒子捕获。

这使得科学家能够研究:

(1)快速电子沉积在触发色球层蒸发流动中的作用(2)在色球层点或环顶产生各种硬X射线源的物理机制(3)整个耀斑环演化过程中软X射线和硬X射线通量之间的关系

这个自洽太阳耀斑模型首次证明了观测上硬X射线区域扫出的通量与X点处实际磁重联率之间的关系,这在太阳耀斑情景中是一个主要的未知数,研究还证明了环顶硬X射线源可以是快速电子捕获的结果。


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