天文与空间科学学院程鑫教授领导的国际团队首次观测到太阳耀斑重联区的准周期微波辐射源

准周期脉动(quasi-periodic pulsations,简称QPPs;有时也称作quasi-periodic oscillations,即QPOs)是一种天体电磁辐射强度随时间准周期性变化的现象,普遍出现在各种时间和空间尺度的宇宙瞬变事件中,包括恒星耀斑、伽马射线暴和快速射电暴等。 

太阳是最普通的一颗恒星,也会频繁产生耀斑,并在多个波段呈现QPP现象。耀斑标准模型认为磁场重联(一种相反方向的磁场相互靠近并发生溟灭的过程)在耀斑过程中起到了非常关键的作用。它能快速释放日冕中存储的磁自由能,驱动等离子体团抛射并加速高能电子。高能电子离开重联区后,沿着磁场运动会产生微波辐射(高于1 GHz的射电辐射)。理论上来说,这些微波辐射的时间变化直接与磁重联加速电子的具体过程密切相关。如果磁重联是准周期的,加速电子也将是准周期的,电子激发的微波辐射时间变化也自然是准周期的。

除了准周期磁重联机制外,能解释耀斑QPP的磁流体力学波(MHD波)调制理论是一种更流行的理论,它认为耀斑环中激发的MHD波能够调制等离子体环境的密度、温度、磁场强度等。如果它们发生准周期变化,对应的微波辐射也会出现准周期特征。

1. 太阳耀斑的微波辐射特征,上方为耀斑环源,下方为延展源的电流片源。背景为AIA 211埃图像,金色曲线为电流片区域的8.4 GHz微波源的亮温度时间变化曲线


长久以来,与高能电子直接相关的硬X射线和微波成像的时空分辨率一直较低,无法清晰地解析耀斑的不同结构和时间变化。因此,上述解释耀斑微波QPP的两种物理机制一直存在激烈的争议。此次,南京大学天文与空间科学学院程鑫教授课题组联合美国新泽西理工学院陈彬教授课题组和英国格拉斯哥大学Eduard Kontar教授,利用先进的欧文斯谷太阳射电日像仪(EOVSA)高时空分辨率微波数据,首次发现了太阳耀斑电流片产生的微波源存在明显的QPP特征。

这些电流片源与以往常观测的耀斑环源相比,亮度非常弱,在低灵敏度观测中极易被忽略。得益于EOVSA较高的动态范围和频谱成像能力,利用小波分析技术,我们发现所有观测到的微波源,无论亮度大小,它们的时间变化和谱指数(谱指数越小,非热性质越强)都呈现出一致的准周期性。最后,利用MHD数值模拟,我们还确认了重联电流片中产生的磁岛可能是调制磁重联使其产生准周期性的根本原因。这些结果为准周期磁重联加速电子然后产生微波QPP首次提供了直接观测证据。

2: 8.4 GHz微波辐射源亮温度随时间的演化和小波功率谱


该工作以题为Microwave Imaging of Quasi-periodic Pulsations at Flare Current Sheet20221212日在Nature Communications杂志发表。文章第一作者为南京大学直博生寇元坤同学通讯作者为南京大学程鑫教授和新泽西理工学院余思捷博士南京大学王雨雷副研究员进行了磁流体数值模拟新泽西理工学院陈彬教授、格拉斯哥大学Eduard Kontar教授和南京大学丁明德教授为本工作提供了重要的建议。值得一提的是,这项工作的主体部分是寇元坤同学完成的本科毕业论文,获得了2021年南京大学本科优秀毕业设计(论文)特等奖、2021年江苏省普通高校本科优秀毕业设计(论文)三等奖。

该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和德国洪堡基金会-高级访问学者计划的支持。论文在线连接为https://www.nature.com/articles/s41467-022-35377-0