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近日，由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心（以下簡稱“空間中心”）、中國科學(xué)院國家天文臺及英國格拉斯哥大學(xué)科研人員聯(lián)合組成的國際天文學(xué)家團隊發(fā)表重要研究成果，在太陽大氣中發(fā)現(xiàn)了一種此前未知的射電輻射形式，這一發(fā)現(xiàn)為理解能量如何在日冕中釋放與傳輸提供了新視角。

利用低頻陣列（LOFAR）射電望遠鏡，研究人員探測到了"重復(fù)的尖峰狀爆發(fā)對"——成對出現(xiàn)的射電能量短暫閃光，兩脈沖之間相隔約4秒的特征時間延遲。

該研究揭示了一種診斷太陽表面上方湍流等離子體過程的新方法，為探測太陽磁場環(huán)境和粒子加速提供了有力工具。已知太陽射電暴展現(xiàn)出復(fù)雜的精細結(jié)構(gòu)，而新發(fā)現(xiàn)的信號尤為獨特。每個事件包含兩個幾乎相同、發(fā)生在同一頻率的窄帶射電尖峰：一個明亮、短暫的"早期"爆發(fā)，緊隨其后約4秒出現(xiàn)一個較弱、延遲的"回波狀"爆發(fā)。

圖 1 重復(fù)尖峰爆發(fā)對的動態(tài)頻譜、流量密度及射電源區(qū)中心

已知太陽射電暴常常展現(xiàn)出復(fù)雜的精細結(jié)構(gòu)，但新發(fā)現(xiàn)的“尖峰暴對”尤為獨特。每個事件由兩個幾乎相同、位于相同頻率的窄帶射電尖峰組成：一個短暫的“較早”暴（E），隨后約4秒出現(xiàn)一個較弱、延遲的“類回波”暴 （D）,圖1展示了一個尖峰爆發(fā)對，早期（E）暴和延遲的“類回波”（D）暴。E源集中于活動區(qū)負極性核心附近；而D源則被系統(tǒng)地位移數(shù)百角秒，分布更為彌散。

研究總分析了超過600個這樣的暴對，發(fā)現(xiàn)它們在時間、強度和空間起源上具有一致的模式（圖2）。通過將高分辨率光譜學(xué)與射電成像相結(jié)合，研究團隊將這些暴追溯到太陽上一個活動區(qū)。關(guān)鍵突破來自于觀測到每個暴對中的第二個暴起源于日冕中不同的位置——通常偏移數(shù)百角秒。這種空間偏移，加上強度減弱和頻率漂移更慢，表明延遲的暴并非獨立產(chǎn)生。相反，它很可能是第一個暴的散射回波，由射電波在日冕湍流等離子體中反射和傳播而形成。

圖 2 重復(fù)尖峰暴對的質(zhì)心分布

為解釋這一現(xiàn)象，團隊開展了各向異性湍流日冕中射電波傳播的數(shù)值模擬。結(jié)果如圖3展示，對于基波發(fā)射，模擬回波延遲僅為約1秒，且直接與反射分量的源質(zhì)心保持共空間，這與觀測不符。而對于諧波發(fā)射，模擬產(chǎn)生約4秒的延遲，質(zhì)心明顯分離，與觀測完美吻合。強各向異性（各向異性參數(shù)α ≈ 0.1）使發(fā)射沿磁場線傳播，從而解釋了觀測到的方向性以及彌散、位移的延遲源。計算機模擬支持上述解釋，表明射電波可以被各向異性湍流——即沿著太陽磁場排列的密度起伏——改變方向并延遲。這些條件可以產(chǎn)生具有精確觀測到的時間延遲和空間偏移的回波。

圖3 各向異性湍流日冕中射電波傳播的數(shù)值模擬結(jié)果

因此，如圖4所示每個重復(fù)暴對實際上是一個天然的射電回波：早期分量是直接向外傳播的諧波發(fā)射；延遲分量是同一發(fā)射先向下傳播，在等離子體層反射后再向上散射到達觀測者的回波（echo）。

圖4 重復(fù)尖峰暴對的機制示意圖

該研究首次明確此類精細結(jié)構(gòu)來源于諧波等離子體發(fā)射，解決了太陽射電觀測中長期存在的基波/諧波判別難題。同時，所需各向異性參數(shù)α ≈ 0.1證實了日冕湍流的強各向異性特征，并通過天然回波測量了日冕密度標(biāo)高（約R⊙/4至R⊙/3）。這些暴的起源高度在太陽表面上方約一個太陽半徑處，遠高于典型的耀斑發(fā)射區(qū)域。這意味著磁重聯(lián)和電子加速——太陽活動的主要驅(qū)動因素——可能發(fā)生在日冕中先前未被充分認識的高度。這些暴很可能是在日冕小尺度重聯(lián)事件加速電子時產(chǎn)生的，進而激發(fā)出射電信號的等離子體波。然后，這些信號通過湍流等離子體沿著多條路徑傳播，產(chǎn)生延遲的回波特征。

這一發(fā)現(xiàn)具有幾個重要意義：

• 日冕湍流的新診斷方法：暴對的時間延遲和結(jié)構(gòu)提供了一種測量等離子體密度變化和湍流的手段。

• 對磁場幾何的洞察：方向性散射揭示了射電波如何沿著磁場線傳播。

為長期未解之謎提供線索：同樣的散射過程或許可以解釋為何從地球發(fā)射的雷達信號會被太陽微弱地反射回來，為理解過去50年太陽雷達回波異常微弱提供了物理機制。

僅在兩小時的觀測時段內(nèi)，就識別出超過一千個此類事件，表明這些重復(fù)的爆發(fā)對是一種常見但此前被忽視的現(xiàn)象。這些信號為研究能量在太陽外層大氣中的釋放、傳輸與轉(zhuǎn)化提供了新途徑。重復(fù)爆發(fā)對的發(fā)現(xiàn)，也為探索日冕等離子體湍流及粒子加速打開了一扇新窗口。未來的觀測有望在揭示太陽日冕復(fù)雜性的研究中發(fā)揮重大潛力。

論文第一作者兼通訊作者為空間中心太陽活動與空間空間天氣全國重點實驗室馬素麗副研究員，共同通訊作者為格拉斯哥大學(xué)Eduard Kontar教授，重要合作者包括空間中心顏毅華研究員、格拉斯哥大學(xué)Daniel Clarkson博士和國家天文臺陳華東副研究員。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、太陽活動空間天氣全國重點實驗室專項基金等聯(lián)合支持。

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