航天器捕捉到導致巨大太陽爆炸的“磁塌陷”

該視圖來自有史以來捕獲的大型太陽耀斑最詳細的視圖之一。這一事件在 2024 年 9 月 30 日太陽軌道器經過太陽附近時被記錄下來，並在今天（1 月 21 日）發表的一項研究中進行了描述 天文學和天體物理學。

太陽耀斑產生的原因是什麼

太陽耀斑是太陽系中最強大的爆炸之一。當扭曲磁場中存儲的大量能量通過稱為磁重聯的過程突然釋放時，就會發生這種情況。在重新連接期間，指向相反方向的磁場線分離並以新的配置重新連接。這種快速的重新排列可以將等離子體加熱到數百萬度，並將高能粒子拋離現場，從而導致太陽耀斑。

最強大的耀斑可以引發到達地球的連鎖反應，產生地磁風暴，有時還會擾亂無線電通信。由於這些潛在的影響，科學家們渴望確切地了解耀斑是如何開始和發展的。

多年來，太陽能夠在幾分鐘內釋放如此巨大能量的確切機制仍不清楚。現在，四台太陽軌道飛行器儀器一起進行的一組罕見的觀測提供了迄今為止最完整的圖片，展示了耀斑從最初的時刻是如何出現的。

罕見地觀察太陽耀斑的誕生

太陽軌道飛行器的極紫外成像儀（EUI）捕獲了太陽外層大氣（即日冕）的非常詳細的圖像，分析了直徑僅幾百公里的特徵並每兩秒記錄一次變化。與此同時，另外三個儀器 SPICE、STIX 和 PHI 研究了太陽的不同層，從熱日冕一直到可見表面或光球層。

總之，這些觀測結果使科學家能夠在大約 40 分鐘的時間內追踪耀斑的形成過程，但由於觀測窗口有限和機載數據限制，這種機會很少發生。

德國哥廷根馬克斯·普朗克太陽系研究所的普拉迪普·奇塔（Pradeep Cheeta）和該論文的主要作者說：“我們非常幸運地以如此美麗的細節見證了這次大耀斑的先前事件。” “由於觀測窗口有限，而且此類數據佔用了航天器機載計算機上的大量內存，因此不可能一直對耀斑進行如此詳細的高頻觀測。我們確實在正確的時間出現在正確的地點，捕捉到了這次耀斑的更精細細節。”

磁塌陷的作用

當 EUI 在世界時間 (UT) 23:06 開始觀測該區域時，即耀斑達到峰值前約 40 分鐘，它揭示了一條由扭曲磁場和等離子體組成的黑色弧形細絲。這種結構由逐漸變亮的縱橫交錯的磁力線連接起來。 （請參閱文章下面的視頻鏈接。）

更仔細的觀察顯示，幾乎每幀圖像中都會出現新的磁絲，大約每兩秒或更短時間就會出現一次。每股都被磁力困住，然後逐漸扭曲，就像緊緊盤繞的繩子一樣。

隨著更多的線形成和扭曲，該區域變得不穩定。就像雪崩獲得動力一樣，磁性結構開始快速連續地破裂和重新連接。這引發了一系列瀰漫性干擾，每一次都比上一次更強，表現為突然爆發的亮度。

世界標準時間 23:29，發生了一次特別強烈的增亮事件。很快，黑線從一側斷裂，向外射出，然後在移動中劇烈張開。當主耀斑在世界標準時間 23:47 左右爆發時，重新連接的明亮閃光沿著其長度以非凡的細節出現。

“耀斑發生前的幾分鐘非常重要，太陽軌道飛行器為我們提供了一個直接觀察耀斑底部雪崩過程開始的窗口，”普拉迪普說。 “我們對一系列在空間和時間上迅速傳播的較小的重新連接事件激發了大耀斑感到驚訝。”

太陽耀斑作為級聯鍊式反應

科學家們長期以來一直認為，雪崩可以解釋太陽和其他恆星上無數小耀斑的集體行為。到目前為止，還不清楚同樣的想法是否適用於單個大火焰。

這些新結果表明，大型耀斑不一定是一次均勻的爆炸。相反，它們可以由許多較小的重新連接事件產生，這些事件相互作用並相互構建，形成一個強大的鏈條。

下著等離子雨

利用 SPICE 和 STIX 儀器的綜合測量，研究小組能夠以前所未有的細節研究這種快速的重聯事件序列如何在太陽大氣上層沉積能量。

高能 X 射線在這項分析中發揮了關鍵作用，因為它們揭示了加速粒子釋放能量的位置。由於這些粒子可以逃逸到太空並對衛星、宇航員甚至地球上的技術構成風險，因此了解它們的行為對於太空天氣預報至關重要。

在 9 月 30 日的耀斑期間，當 SPICE 和 STIX 開始觀測時，紫外線和 X 射線發射已經在緩慢增加。隨著耀斑加劇，X射線產生量猛增，將粒子加速到光速的40％至50％，即每小時約431至5.4億公里。數據還表明，在重新連接過程中，能量直接從磁場轉移到周圍的等離子體。

普拉迪普說：“我們看到帶狀特徵在太陽大氣層中快速移動，甚至在主要耀斑發生之前也是如此。” “這些‘等離子雨團’流是能量沉積的跡象，隨著耀斑的進展，能量沉積會變得越來越強。即使在耀斑消退後，降雨也會持續一段時間。這是我們第一次在日冕的這種時空細節水平上看到這種情況。”

爆炸後冷卻

在耀斑最強烈的階段過去後，EUI 圖像顯示原始的十字形磁結構鬆弛。與此同時，STIX 和 SPICE 記錄到等離子體冷卻，顆粒物排放量減少至正常水平。 PHI 觀察了耀斑對太陽可見表面的影響，完成了整個事件的 3D 視圖。

“我們沒想到雪崩過程會產生如此高能的粒子，”普拉迪普說。 “在這個過程中我們還有很多東西需要探索，但需要未來任務中更高分辨率的 X 射線圖像來解開這個謎團。”

對太陽耀斑的新認識

“這是迄今為止太陽軌道飛行器取得的最令人興奮的成果之一，”歐空局太陽軌道飛行器項目科學家 Miho Janvier 說。 “太陽軌道飛行器的觀測揭示了耀斑的中央引擎，並強調了類雪崩磁能釋放機制在工作中的關鍵作用。一個有趣的可能性是這種機制是否發生在所有耀斑和其他耀斑中。”

這項研究的合著者、澳大利亞紐卡斯爾大學的戴維·龐廷 (David Pontin) 表示：“這些令人興奮的觀察結果幾乎是每時每刻都以令人難以置信的細節捕捉到，使我們能夠看到一系列小事件如何轉化為巨大的能量爆炸。”

他補充道：“通過將 EUI 觀測結果與磁場觀測結果進行比較，我們能夠破譯導致耀斑的一系列事件。我們觀察到的結果挑戰了當前耀斑能量釋放的理論，並且結合進一步的觀測，將使我們能夠完善這些理論以提高我們的理解。”

關於太陽軌道任務

太陽軌道飛行器是歐空局和美國宇航局的聯合任務，由歐洲航天局管理。極紫外成像儀（EUI）由比利時皇家天文台（ROB）領導。極地和日震成像儀（PHI）由德國馬克斯·普朗克太陽系研究所（MPS）領導。日冕環境光譜成像 (SPICE) 是由法國巴黎空間天體物理研究所 (IAS) 運營的歐洲儀器。 STIX X 射線光譜儀和望遠鏡由瑞士 Windsch 的 FHNW 領導。