近日，空间科学攀登团队太阳爆发与射电技术课题组在耀斑前相宽带射电脉动成因研究方面取得新进展，成果以“Imaging Preflare Broadband Pulsations in the Decimetric-metric Wavelengths”为题被美国天文学会天体物理学研究期刊（The Astrophysical Journal）接受发表。课题组吕茂水副教授为第一作者，陈耀教授为通讯作者，中国科学院国家天文台谭宝林研究员等为该项研究合作者。
太阳射电脉动（Solar Radio Pulsations：SRP）是由太阳射电辐射流量曲线或动态频谱图观测到的（准）周期性或无规律的短时辐射强度波动，出现于米波到微波的几乎所有射电频带。根据脉动的频率范围，可将SRP区分为宽带和窄带两类。
以往研究多关注发生于耀斑爆发相或衰减相中的SRP。在耀斑爆发之前，即耀斑前相(preflare phase)期间，能量释放强度相较而言要弱得多，相应射电辐射特征也不甚明显，通常不易观测。然而，这些前相辐射特征对了解耀斑或相应日冕物质抛射事件的触发和成因很有帮助。
此处观测到一组发生于耀斑前相的分米-米波段的宽带脉动事件（Broadband Pulsations: BBP）。相应耀斑发生于2011年9月24日, 为M7.1级。该事件同时被Nançay射电日像仪（NRH）在多个频点和太阳动力学天文台/大气成像仪(SDO/AIA)在EUV波段观测到；此外，还有动态频谱、SOHO/LASCO C2和GOES等数据。对于耀斑前相分米-米波段BBP而言，这是第一次伴有如此完备的观测数据，使我们可加深对此类事件的理解。这也正是本工作的目的。
图1 耀斑前相BBP概览：（a）Bleien天文台观测到的动态频谱，时间分辨率为0.25s；（b）NRH在四个频率（360，408，432，445MHz）观测到的亮温随时间的变化曲线；（c）射电源偏振度随时间的变化曲线；（d）NRH记录到的445MHz频率处亮温时变数据的小波分析结果。
该BBP事件始于耀斑爆发前约24分钟，辐射频率从低于360MHz扩展到超过800MHz，表现为间歇性辐射，未观测到显著频漂特征（即各脉动频率随时间无显著变化，见图1a），后期脉动整体上变得更密集、更强。这与NRH在四个频率处测量到的亮温时变曲线一致（图1b）。四频点处辐射偏振水平很接近，在阶段I均很弱，在阶段II则逐渐增至约60%（图1c）。小波分析表明该BBP含多个周期分量，其中周期约3分钟的信号较为显著（图1d）。
图2 SDO/AIA观测数据：（a）阶段I开始时和（b）阶段II结束时的171 Å，193 Å和94 Å图像；（c）阶段II结束时的各波段相应差分图。
图3 NRH不同频率源区辐射强度的等值线（50%），叠加于AIA 171Å的差分图之上。（g）中的白色圆圈描绘出陡化的EUV波波前位置。
在该BBP期间，可观测到经常发生的EUV增亮现象，还观测到多个喷流，均从耀斑区域喷射至射电源区（图2）。这表明耀斑前相期间存在间歇性磁场重联过程。
由AIA94Å图（图2）可观测到在BBP初始阶段便开始上升的高温爆发结构，在BBP第二阶段还可观测到由该结构驱动的EUV波。EUV波与爆发结构均表现出类似的先慢后快的加速过程。该EUV波很快加速至约473 km s-1，并呈现出明显的陡化或类似激波特征。
结合EUV和射电数据，可得出以下结论：（1）早期（阶段I），BBP辐射源区位置基本不随时间变化，随后（阶段II）BBP源区跟随陡化/加速的EUV波一起外移；且BBP主源区和另外两个源区（图3）均位于EUV波前沿之上。（2）EUV波出现后，BBP辐射强度和偏振水平均有明显增加。
上述观测表明，陡化EUV波对于激发辐射BBP的高能电子有重要影响或贡献，同时，耀斑区磁重联过程提供了EUV波加速所需的种子电子。换言之，该BBP事件及其特征演化是由EUV波和磁场重联共同作用引起的。
图4 （a）PFSS外推得到的日冕磁力线分布图以及NRH不同频率源区的等值线（50%），叠加在HMI磁图之上；（b）BBP成因示意图。（a）中的白色圆圈描绘出了EUV波波前位置。
如图4示意，我们认为，在阶段I，BBP辐射是由耀斑前相期间的间歇重联所加速的高能电子激发的，经常出现的喷流和EUV增亮就是前相重联的证明；在阶段II，EUV波出现之后，上述高能电子被陡化的EUV波进一步处理/加速，使得脉冲源区跟随EUV波外移。另外，在外移过程中EUV波将扫过系列磁环。根据之前本课题组孔祥良等的数值模拟研究（Kong et al. 2015, 2016），当陡化EUV波（或激波）扫过环顶时，由于环顶的磁约束作用，高能电子被有效束缚并可被激波多次反弹而获得有效加速。阶段II中的BBP辐射变强正是EUV波对高能电子进一步加速的结果；而BBP偏振水平的逐渐增强则应该是相应环顶区磁场方向的变化所致。
该工作由山东大学空间科学研究院、山东大学前沿交叉科学研究院和中国科学院国家天文台等单位共同完成，作者感谢国家自然科学基金等项目资助。
论文链接：https://arxiv.org/abs/2304.11785。
