【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】以北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院田暉教授及其博士生楊子浩為主的合作研究團(tuán)隊(duì)在日冕磁場測量方面取得重要進(jìn)展?；?ldquo;二維冕震”方法和升級(jí)版日冕多通道偏振儀(UCoMP)的觀測，他們率先在國際上初步實(shí)現(xiàn)了日冕磁場的常規(guī)測量，揭示了日冕磁場在約8個(gè)月時(shí)間內(nèi)的演化規(guī)律。這是繼2020年該團(tuán)隊(duì)測得首幅全局性日冕磁圖后的又一重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果近日發(fā)表在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。
 

　　磁場是太陽物理最重要的物理量，正是太陽磁場的演化導(dǎo)致了黑子11年周期、百萬度高溫的日冕以及猛烈的太陽爆發(fā)等重要現(xiàn)象。正因如此，測量太陽磁場一直是太陽物理學(xué)者最重要的使命之一，也是必須完成的任務(wù)。早在1908年，美國著名太陽物理學(xué)家、The Astrophysical Journal創(chuàng)刊人海爾(George Ellery Hale)將剛發(fā)現(xiàn)不久的塞曼效應(yīng)用于太陽黑子的磁場測量，從而開啟了人類測量地球之外天體磁場的歷程。今天，這一方法仍被人們所沿用，基于這一方法，我們已經(jīng)能夠?qū)μ柋砻?光球)的磁場分布及其演化進(jìn)行高分辨率的日常測量。
 

　　然而，對(duì)于太陽大氣最外層的日冕，其磁場一直難以測量。這主要是因?yàn)槿彰岽艌龊苋?，并且日冕的高溫?dǎo)致譜線輪廓很寬，使本來就不明顯的譜線分裂更難被測量出來。盡管人們利用磁場模型或者基于一些偶發(fā)現(xiàn)象嘗試研究和測量日冕磁場，但這些方法都具有各自的局限性。全球性、常態(tài)化的日冕磁場測量一直未能實(shí)現(xiàn)，這也限制了我們深入理解太陽的三維磁場結(jié)構(gòu)及其演化過程，制約了包括日冕加熱和太陽爆發(fā)機(jī)制在內(nèi)的諸多重要科學(xué)問題的研究。
 

　　2020年，田暉團(tuán)隊(duì)基于“二維冕震”方法，通過研究日冕中普遍存在的磁流體橫波，首次實(shí)現(xiàn)了日冕全局性磁場的測量(Science, 369, 694, 2020；Sci China Tech Sci, 63, 2357, 2020)。然而，由于分析方法、儀器性能和觀測條件等的限制，當(dāng)時(shí)僅有少數(shù)觀測數(shù)據(jù)可被用于日冕全局性磁場的測量，平均每年只能得到一兩幅全局性的日冕磁圖。
 

　　最新的UCoMP日冕儀是一臺(tái)能夠?qū)θ蛰嗊吘壷獾娜彰徇M(jìn)行光譜成像觀測的設(shè)備，觀測視場范圍為距日心1.05—1.6個(gè)太陽半徑。利用UCoMP在Fe XIII 1074.7nm和1079.8nm譜線輪廓不同波長位置的成像數(shù)據(jù)，他們構(gòu)建了這兩條近紅外譜線的強(qiáng)度輪廓，進(jìn)一步得到包括譜線強(qiáng)度、多普勒速度在內(nèi)的譜線參數(shù)的空間分布及其時(shí)間演化。多普勒速度圖的時(shí)間序列清晰地展示出日冕中廣泛存在的磁流體橫波。與此同時(shí)，他們進(jìn)一步改進(jìn)了“二維冕震”方法，使其能夠更準(zhǔn)確、更高效地追蹤這些日冕波動(dòng)，獲得波動(dòng)傳播的方向及速度大小，并通過Fe XIII 1074.7nm和1079.8nm譜線對(duì)的強(qiáng)度比值診斷出日冕密度分布。結(jié)合波動(dòng)追蹤和密度診斷結(jié)果，他們獲得了日冕磁場強(qiáng)度和方向的分布。利用UCoMP日冕儀從2022年2月至10月期間的日常觀測數(shù)據(jù)，他們獲得了共計(jì)114幅全局性的日冕磁圖，達(dá)到了大約每兩天一次的測量頻率，從而在國際上首次初步實(shí)現(xiàn)了日冕磁場的常態(tài)化測量。
 

　　圖1. 2022年6月1日UCoMP測量得到的日冕磁場強(qiáng)度(左上)和方向(右上)圖與日冕模型中的磁場強(qiáng)度(左下)和方向(右下)圖
 

　　基于UCoMP的日冕磁場測量結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)還首次獲得了日冕中不同高度上磁場強(qiáng)度的全球分布圖及其隨時(shí)間的演化，并構(gòu)建了針對(duì)日冕中不同高度的、類似光球綜合磁圖的日冕綜合磁圖，實(shí)現(xiàn)了在若干個(gè)太陽自轉(zhuǎn)周期內(nèi)，對(duì)1.05—1.6個(gè)太陽半徑范圍內(nèi)的日冕中幾乎所有緯度上磁場演化的監(jiān)測。結(jié)果顯示，日心距1.05—1.6個(gè)太陽半徑范圍內(nèi)的磁場強(qiáng)度可從小于1高斯到約20高斯。通過比較光球與日冕的磁場分布及其演化，可以發(fā)現(xiàn)二者之間總體上具有一致性。此外，他們也觀測到強(qiáng)磁場結(jié)構(gòu)在類似的經(jīng)度反復(fù)出現(xiàn)，說明活動(dòng)經(jīng)度帶在日冕磁場測量結(jié)果中也有明顯體現(xiàn)。
 

　　圖2. 在5個(gè)太陽自轉(zhuǎn)周內(nèi)的光球綜合磁圖(上)、1.10—1.15個(gè)太陽半徑內(nèi)(中)以及1.20—1.25個(gè)太陽半徑內(nèi)(下)平均的日冕綜合磁圖
 

　　圖3. 3個(gè)不同時(shí)間的光球磁場(左)、1.10—1.15個(gè)太陽半徑內(nèi)平均的日冕磁場(中)和1.20—1.25個(gè)太陽半徑內(nèi)平均的日冕磁場(右)的全球分布
 

圖4. 在不同日期測得的日冕磁場分布圖疊加在日冕極紫外圖像上
 

　　研究團(tuán)隊(duì)還將測量結(jié)果與先進(jìn)的全球日冕磁流體力學(xué)數(shù)值模型進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，測量得到的日冕磁場大致是視線方向上輻射量加權(quán)平均的結(jié)果。測量得到的日冕磁場與模型的預(yù)測結(jié)果在中低緯度日冕中具有較高的相關(guān)性，但在高緯度和一些活動(dòng)區(qū)存在不小的偏差。這些測量結(jié)果將為現(xiàn)有模型的完善和改進(jìn)提供重要的觀測約束。
 

　　這一成果進(jìn)一步完善了“二維冕震”方法，初步實(shí)現(xiàn)了全局性日冕磁場的日常測量，填補(bǔ)了太陽磁場測量方面的一項(xiàng)空白，使得太陽大氣磁場的常規(guī)測量從過去僅限于最底層的光球擴(kuò)展到日心距最大約1.6個(gè)太陽半徑的日冕中。日冕磁場常規(guī)測量的初步實(shí)現(xiàn)，將促進(jìn)黑子周期、日冕加熱、太陽爆發(fā)及空間天氣預(yù)報(bào)、日球?qū)哟艌鲅莼戎卮笳n題的研究。
 

　　然而，目前這一方法僅能得到日輪邊緣之外的日冕磁場在垂直于視線方向上(天空平面)的分量。未來還需要結(jié)合其他測量方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)包括日面在內(nèi)的整個(gè)日冕矢量磁場的完整測量，這將是太陽物理界未來至少數(shù)十年的一個(gè)重要研究目標(biāo)。此外，利用“二維冕震”方法測量日冕磁場時(shí)會(huì)受到波動(dòng)的復(fù)雜環(huán)境與性質(zhì)的影響，如波動(dòng)的反射、非線性過程及冕環(huán)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)等，這些因素可能會(huì)增大測量結(jié)果的不確定度，未來需要基于更真實(shí)的模型正演來研究其影響。
 

　　目前，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網(wǎng)(子午工程二期)的光譜成像日冕儀剛剛建成。“二維冕震”方法有望應(yīng)用到該設(shè)備的觀測數(shù)據(jù)中，從而實(shí)現(xiàn)在東半球的日冕磁場測量。與位于西半球的UCoMP常規(guī)測量相結(jié)合，我們有望進(jìn)一步提高全局性日冕磁場測量的時(shí)間分辨率，為太陽物理研究提供更豐富的太陽大氣磁場數(shù)據(jù)支撐。此外，國內(nèi)外多個(gè)團(tuán)隊(duì)正在推動(dòng)建造更大口徑的日冕儀，以期實(shí)現(xiàn)更高分辨率、更精確的日冕磁場測量。
 

　　論文的第一作者為楊子浩，通訊作者為田暉，其他合作者包括北京大學(xué)2019級(jí)本科生劉賢雨、美國國家大氣研究中心Steven Tomczyk和Sarah Gibson博士、英國諾桑比亞大學(xué)Richard Morton博士、美國預(yù)測科學(xué)公司Cooper Downs博士。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及科學(xué)探索獎(jiǎng)等的資助。