中國科大日地空間物理研究團隊在太陽爆發活動的研究中取得重要進展，發現爆發結構在早期爆發過程中發生了復雜的重構演化，研究成果以“Complete replacement of magnetic flux in a flux rope during a coronal mass ejection”為題，于2023年5月4日發表在國際學術期刊《Nature Astronomy》。

太陽爆發活動的一個主要表現形式是日冕物質拋射（coronal mass ejection;或CME），即太陽大氣中緩慢積累的磁能在短時間內被劇烈地釋放出來，將局部大氣加熱到上千萬度——被稱為耀斑，并產生大量高能粒子，同時上億噸攜帶著磁場的日冕物質被拋射到行星際空間。在接下來幾天內，它將擾動整個太陽系的空間環境，尤其是影響現代社會中的各種高技術系統，包括航天、航空、通訊、電網等。自上世紀70年代被發現以來，日冕物質拋射一直是太陽和日地空間物理關注的焦點。在經典圖像中，太陽爆發的核心結構是由螺旋纏繞的磁力線構成的磁繩；在爆發開始后，磁繩周圍的磁力線通過磁場重聯轉化為螺繞的磁力線，包裹在原有磁繩之外，導致其以“滾雪球”的方式迅速長大，預期形成具有規則纏繞形態的拋射磁場結構。然而，各種近地和行星際飛船在“原位”探測到的太陽拋射物中，只有一小部分（僅約三分之一）具有預期的磁場結構，其余則與經典圖像存在較大偏差。

圖1.爆發前磁繩結構的形成

研究團隊對發生在2014年教師節的日冕物質拋射事件進行了深入研究，經過多方探索和仔細分析，發現爆發前形成的磁繩結構在爆發過程中經歷了一系列復雜的剝蝕、瓦解和重建。觀測證據表明，爆發前具有S形結構的磁繩從小尺度的“種子”發展而來（圖1），這一過程也為研究團隊前期的研究成果（Wang et al. 2017, Nature Communications; Gou et al. 2019, Science Advances）提供了不同角度的重要佐證。爆發開始時，磁繩的足點被低層大氣中一個梯形的亮帶清晰地勾勒出來（圖2）；在隨后的劇烈爆發過程中，爆發結構的足點由于物質缺失表現為日冕中的暗化區（圖2）。伴隨著太陽色球耀斑帶的高度動態變化和日冕暗化區域的隨之漂移（圖3），爆發結構的足點位置發生了劇烈的遷移，與爆發前磁繩的足點區域幾乎沒有交集（圖2）；而根據經典圖像，表征爆發結構足點的日冕暗化區本應覆蓋原有磁繩的足點。耀斑帶末端則呈現極度不規則的形態以及來回拉鋸式的運動（圖3），揭示磁繩內部以及磁繩與周圍磁場間發生著復雜的三維磁場重聯。這些現象表明，爆發過程中的三維磁場重聯將原有磁繩的磁通量幾乎完全替換。這一研究揭示了以前鮮有報導的復雜三維磁重聯的細節過程及其在日冕物質拋射形成中的重要作用，同時為行星際空間復雜拋射結構的產生提供了新的物理解釋，也為空間天氣預報帶來啟示。

圖2.爆發前磁繩足點與爆發結構的足點幾乎無交集，表明磁繩中的磁通在爆發過程中通過磁場重聯被完全更替。

圖3.爆發過程中色球耀斑帶隨時間的劇烈動態演化

該項工作第一作者為中國科大地球和空間科學學院原特任副研究員茍廷玉，現在美國哈佛-史密松天體物理中心工作。茍廷玉和科大劉睿教授為文章共同通訊作者。合作單位包括奧地利格拉茨大學、美國新罕布什爾大學、中科院國家天文臺、深空探測實驗室等。該項研究工作得到了基金委杰出青年科學基金等項目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41550-023-01966-2

（地球和空間科學學院、科研部）