日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection, CME)是太阳大气中剧烈的爆发现象。一次典型的CME可以释放出约1032erg的能量和1015~16g的等离子体物质。当这团高能量的物质与地球空间相互作用时,常常会引起地磁暴。CME引起地磁暴的大小取决于CME本身速度的高低和磁场的强弱以及方向等。因此,研究CME的加速机制以理解其加速过程,对于研究CME本身以及空间天气学应用具有重要意义。一般认为,CME是由磁绳结构爆发驱动的,而暗条是磁绳结构的一个示踪物,故暗条观测为CME动力学研究提供了重要的支撑。
目前,空间/太阳物理学界普遍接受的一个观点是磁绳加速所需能量源自日冕磁场。磁场能量有两种释放机制,一是通过理想的MHD磁绳系统的不稳定性过程(Flux rope Instability);二是通过耗散的磁场重联过程(Magnetic Reconnection, MR)。现有的理论、模拟和观测工作都直接或间接地支持这两种释放机制均可以加速磁绳。但是,在一个特定事件中,两种机制对加速的贡献作用是否相当或者以哪种机制为主则仍是一个谜。Chen等人(2007)通过在MHD数值模拟研究得出:磁绳系统的不稳定性和磁重联对磁绳加速的贡献可以是相当的。然而,从观测上验证这一点决非易事。这是因为,在一般事件中,一旦爆发开始,往往是磁绳不稳定性和磁场重联同时或接近同时发生,或者是磁绳不稳定性导致磁绳爆发后,诱发磁场重联;或者是磁场重联导致磁绳的快速发展演化,进而导致磁绳爆发。两个过程时间间隔太短,而通常很难区分认证两种加速机制的贡献。
于是,我们设想,如果某一事件中两种加速机制能间隔一段时间先后起作用,就有可能分清楚各自对CME加速的贡献。从CME运动学的观测而言,这种先后作用很可能对应于可以由仪器分辨出来的不同的加速阶段。
2014年8月24日,一次漂亮的暗条爆发使上述设想得以实现。这次事件发生在位于日面S09E76的一个活动区(NOAA 12151),伴有一M5.9级的软X射线耀斑和CME。Figure 1展示了此次暗条的爆发过程。我们注意到暗条爆发过程中呈现出一明显的扭曲形态(kink, Figure 1 (h), 335波段),暗示本次事件极有可能是Kink不稳定性触发的。Figure 3展示的是此次暗条爆发中的动力学过程分析结果。Figure 3 (a)显示本次事件中暗条的运动速度有一个慢加速相和两个快加速相,而软X射线流量也表现出一个起始相和两个脉冲相。
分析表明,暗条的慢加速相可能是由QSL (Quasi -Separatrix-Layer:指在其附近磁感线联系具有很陡的梯度或发生剧烈改变的地方)处的重联引起的,因为起始时刻,在暗条下方有点亮现象,如Figures 1 (a)和(d)中箭头所指。而且暗条的运动速度和软X射线流量在此相有着相同的变化趋势。当然,无法排除此慢速相是暗条不稳定性加速的初始相。
本事件中,我们重点关注的是暗条的两个快加速相(简称FAP1和FAP2)。我们注意到FAP2相的速度与软X射线流量(Figure 3 (a))以及加速度和硬X射线流量(Figure 3(c))之间有很好的相关性,而FAP1相则全然没有这种相关性。FAP1相的开始时间比软X射线第一个脉冲相开始时间早2分钟(Figure 3(a)),而且当X射线第一个脉冲相开始时,FAP1相的加速度却继续减小(Figure 3(c)),这说明此阶段的重联对加速没有明显贡献。可能原因有二,一是重联弱,不能快速地去除背景磁拱对磁绳的束缚作用;二是此阶段的重联可能依然是QSL重联(因为硬X射线源在暗条的两个足点,Figure 1 (b)和(e)),其可以对暗条有加热作用,但是却无加速作用。而FAP2相的重联则是暗条下方电流片处的重联(因为硬X射线源在暗条的两个足点中间,Figure 1 (c)和(f)),其对暗条有明显的加速作用。
综上分析,我们得出结论,FAP 1相是由暗条不稳定性过程获得加速,FAP2相是通过磁场重联获得加速。定量分析表明,二者的平均加速度相当,且均为1600 m/s2。此项研究首次从观测上证实了磁绳不稳定性和磁场重联两种加速机制对磁绳加速的贡献是可比的,从而为Chen等人(2007)的模拟结果提供了一种观测验证。
本项研究工作由山东大学空间科学研究院(宋红强、陈耀、付辉)联合美国乔治梅森大学(张捷)、南京大学(程鑫)和美国阿拉巴马大学(李刚)共同完成,已被The Astrophysical Journal Letters接收,将于近期发表(ACCELERATION PHASES OF A SOLAR FILAMENT
DURING ITS ERUPTION)。论文作者感谢中国973项目和中、美两国国家自然科学基金委的大力支持。