云南天文臺成功建立計算太陽抵近探測器穿越CME-耀斑電流片概率的模型

  近日,天文學國際期刊《天體物理學期刊增刊》(The Astrophysical Journal Supplement Series)發表了中國科學院云南天文臺“太陽活動和CME理論研究團組”的最新研究成果,該研究由博士研究生陳雨豪與林雋研究員等人共同完成。他們研究了“帕克太陽探針”(簡稱 PSP)飛行器在太陽爆發期間穿越其能量釋放核心區——日冕物質拋射(CME)-耀斑電流片的可能性,定量研究了穿越概率對PSP和類似探測器軌道參數的依賴,為日后太陽抵近探測器實地探測CME-耀斑電流片提供了理論支持。
  太陽爆發是太陽系中最劇烈的能量釋放過程,一次典型的爆發活動相當于幾十億顆巨型氫彈同時爆炸。林雋研究員與其導師Terry Forbes教授共同建立的Lin-Forbes模型在國際上首次定量描述了CME與耀斑之間的物理聯系,指出二者之間的磁重聯電流片是太陽爆發能量釋放的核心結構。這些結果均獲得觀測證實。林雋帶領團隊根據觀測資料進一步測量了電流片厚度,發現其遠超經典理論預期,說明實際爆發過程中發生的磁重聯遠比經典理論預計的復雜。為了全面揭示CME-耀斑電流片的真實的幾何尺度與內部精細結構、完全平息關于厚度的爭論,唯一的辦法就是將探測器送到太陽附近,實地探測電流片。 PSP是目前唯一有可能實現該目標的在軌飛船,其軌道平面幾乎與黃道面平行,近日點在10個太陽半徑附近。
  為了研究PSP和類似飛行器穿越CME-耀斑電流片的概率,該工作利用觀測數據,并根據Lin-Forbes模型構建了一個簡化的電流片幾何模型(見圖1),完成了對穿越概率的計算。結果表明:在太陽活動峰年,PSP一年內預計穿越電流的次數為1.4次,并且很難以大角度穿越電流片,非常不利于直接探測電流片厚度。為徹底解決這一科學問題,云南天文臺牽頭提出了我國未來的空間探日計劃:“太陽抵近探測計劃(簡稱 SCOPE)”。根據計算,距離太陽更近(近日點在5個太陽半徑附近)、軌道更為傾斜(軌道傾角約為65 )的SCOPE探測器更有利于探測電流片(見圖2)。結果表明,SCOPE在太陽活動峰年期間,一年內平均可穿越電流片4次,并且可以大角度穿過電流片。
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圖1?簡化的電流片幾何位型,見圖中紅色三角形結構。該模型考慮了電流片產生的經緯度、壽命、延長的速度、半角寬度、以及其與當地緯線的傾角。模型假設電流片與爆發前的暗條(“F”)位于同一平面。
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圖2?大傾角軌道有利于穿越CME-耀斑電流片。圖中黑色短線代表爆發前暗條的走向。與其垂直的軌道(紅色線)更容易穿過暗條爆發后產生的電流片。統計研究表明,大部分暗條的走向傾向于平行于當地緯線,因此大傾角軌道更有可能實現穿越。?
  該工作獲得了國家重點研發計劃、中國科學院戰略先導(A)類研究項目、國家自然科學基金委重點項目、云南省高層次人才培養支持計劃-云嶺學者項目、云南省太陽物理科學家工作室項目的支持。數值計算完成于云南天文臺計算太陽物理實驗室。
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