点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:恒星耀发——浩瀚星空里的磁能释放
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

恒星耀发——浩瀚星空里的磁能释放

来源:光明网2021-08-18 11:22

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  我们的太阳每天都发光发热,哺育着地球上的万物生长,可以说太阳就是地球上一切生命之源,万物生长靠太阳[1]。

  看似和蔼可亲的太阳,和人一样,当内部“压力”积累到一定程度之后,有时候也会偶尔发发脾气,需要释放。人类感情的宣泄,往往是由于长时间精神压力的积累;而太阳发脾气则是由于太阳大气中磁场能量积累到一定程度的的结果。

  这种“脾气”,首先由两位英国天文学家Richard Carrington[2]和Richard Hodgson[3]在1859年发生的一次巨大太阳爆发中观测到。这两位“同名”先生几乎在同一时间在距离不到几十英里的自家天文台里,看到了太阳的光学辐射有显著增强,见图1,史称“卡林顿事件(Carrington Event)”。这种增强被太阳物理学家称为“flare”,中国内地太阳物理学界译为“耀斑”,而中国台湾太阳物理学者则译为“闪焰”。

恒星耀发——浩瀚星空里的磁能释放

图1. 卡林顿在自家天文台上观测到的太阳辐射增强(图源:Carrington R. C., 1859, MNRAS, 20, 13)

  这次太阳爆发一并产生了很多地球物理事件(在当时还不能科学的认识到两者的物理关联)。事件发生时,正值我国清代咸丰九年,当时疲弱的清政府正处在太平天国运动和第二次鸦片战争交织的内忧外患中无法自拔,但是即便如此,我们感谢认真负责的地方官员,使我们能从地方志中看到一些端倪。如果读者对卡林顿事件(Carrington Event)感兴趣,欢迎您关注我们后续的详细介绍。

  早期对太阳耀斑的知识主要来源于地面望远镜光学波段的观测,但是随着观测仪器的不断进步,现在人们已经用高时间分辨率,高空间分辨率,全波段高能谱分辨率,抵近的观测设备对耀斑进行非常细致的观测[4,5]。尤其是对耀斑最敏感的软X射线波段,GOES卫星在几个太阳活动周内积累了大量的耀斑样本,为耀斑的研究提供了方便。一个经典的太阳耀斑轮廓见图2。

恒星耀发——浩瀚星空里的磁能释放

图2. 2006年12月13日GOES卫星观测到的一次X级耀斑的光变轮廓(图源:SWPC/NOAA http://www.swpc.noaa.gov)

  太阳能发脾气,那漫天璀璨的星星是否也能发脾气呢?答案是肯定的,最早研究变星的恒星天文学家发现了此中玄机。在上世纪二三十年代,对高自行矮星的观测中,发现一些谱线具有强烈的变化。随后在一系列恒星的氢发射线中也发现了这种现象。然而直到1948年,来自威尔逊山天文台的天文学家对其中一颗高自行双星[6]的一次短时标快速光变进行了定量研究,才真正拉开了恒星耀发研究的序幕。

  如今,这颗著名的恒星被称作鲸鱼座UV变星(UVCeti)[7], 之后的观测揭示出其在诸多波段上也同时存在快速变化,从而逐渐认识到其与太阳耀斑存在某种关联。因此,恒星的这种光变也被称做“flare”,但是由于对恒星缺少成像观测,恒星天文学家一般翻译成“耀发”。在接下来对恒星耀发进行地面观测的几十年里,观测到的样本多是M型矮星的耀发。由于M矮星本身光度低,所以一旦发生耀发,就易于在光变轮廓中辨认出来。

  随着观测样本的逐渐增多,一个用来比较太阳和恒星磁场活动的研究方向——日星联系(solar-stellar connection)也逐渐成为热点[8]。一个很自然的想法,就是想比较一下太阳和与它长得像的恒星(类太阳恒星)在发脾气(耀发)的方式上有什么异同。然而在地面观测的几十年里,类太阳恒星的耀发样本非常少,难以进行较为有效的统计研究。

  2009年,随着Kepler空间望远镜升空,一切有了明显改观。Kepler望远镜起初设计的主要科学目标是通过对恒星光变曲线的分析,通过凌星法实现对系外行星的搜寻[9]。Kepler是一个时域天文学的观测利器,对同一个天区进行连续观测, 见图3。科研数据产品分为long-cadence(低频采样数据,30分钟一次采样)和short-cadence(高频采样数据,1分钟一次采样)两种。

恒星耀发——浩瀚星空里的磁能释放

图3. Kepler空间望远镜与Kepler 观测天区(图源:NASA http://www.nasa.gov)

  最近,国家天文台闫岩博士、贺晗研究员等人发表在英国《皇家天文学会月刊:快报》上的一篇论文(MNRAS: Letters, 2021, 505, L79-L83)就是基于Kepler高频采样数据,对恒星耀发光变轮廓的精细结构进行研究,从而揭示出类太阳恒星耀发的特征时间[10]。

  太阳耀斑的光变轮廓呈现比较明显的先升-后降的特征,在耀斑研究者的术语里,这种两段式特征被分为“上升相”和“下降相”。本文的通讯作者、领导此项研究的贺晗研究员解释说:“一般来说,耀斑的上升相代表了太阳磁场能量通过磁重联过程快速释放的过程,而其下降相则代表了耀斑源区的逐渐冷却过程。因而,耀斑的上升相和下降相的特征时标,对耀斑研究具有非常重要的物理意义。”通过对Kepler数据的分析,我们发现恒星耀发也存在明显的先升-后降特征,如图4所示,为我们后续进行比较研究提供了很好的样本。

恒星耀发——浩瀚星空里的磁能释放

图4. 发生在KIC 4543412恒星上一次耀发的经典光变轮廓(图源:Yan Y. et al., 2021, MNRAS, 505, L79)

  那么,如何选取样本呢?首先,需要找出和太阳长得像的恒星来。在这个研究中,我们采用了三个恒星物理中比较成熟的参数来界定,分别是有效温度、对数化的表面重力加速度和单星属性。太阳的有效温度约为5800K,对数化表面重力加速度约为4.4。我们找到了20颗与太阳长得很像的耀发恒星,并在其光变轮廓中找到了184个耀发样本。

  闫岩博士说:“通过对样本的统计分析,我们得出类太阳恒星耀发的上升相和下降相的时间的中位数分别为5.9分钟和22.6分钟,这和太阳耀斑的结果非常相似。因此,我们可以这样说,类太阳恒星不仅和太阳长得像,连一颦(上升相)一笑(下降相)的调调也那么像,所以,它们应该具有相同的物理机制。”恒星耀发,正是浩瀚星空发生的剧烈磁能释放。

  通过进一步研究,我们发现上升相和下降相的分布规律都具有明显的尖峰-长尾特征,符合统计学里的对数正态分布[11],置信水平达到0.95,如图5所示。

恒星耀发——浩瀚星空里的磁能释放

图5. 左侧为耀发样本上升相时间和下降相时间的对数正态分布图,右侧为上升相时间和下降相时间各自取对数后的正态分布图(图源:Yan Y. et al., 2021, MNRAS, 505, L79)

  “类太阳恒星耀发上升相和下降相的分布都符合对数正态分布,这个结论会让我们把它当做研究其它类型恒星耀发特征时间的基准,从而看看其它类型的恒星在耀发行为上是否也和类太阳恒星差不多。”贺晗研究员评论说。

  在太阳系中,太阳耀斑是空间天气的源。就耀斑本身来说,它可以影响到地球的空间环境,增加地球上层大气的电离度,从而影响到短波通讯或者低轨卫星的稳定性。而对于系外的恒星-行星系统来说,宿主恒星耀发产生的高能辐射也同样会参与系外行星大气的演化过程。

  恒星耀发中产生的紫外辐射通量变化会对系统内的行星大气产生作用,进而影响到系外行星的宜居性问题。因此,通过对恒星耀发特征时间的研究,有助于我们为将来的星际移民做好准备。

  在某次关于太阳-恒星物理的学术讨论会上,紫金山天文台的熊大闰院士曾经说:“对于太阳来说,我们得到的是丰富的、细致的耀斑样本;然而对于恒星来说,我们获取的是各种不同类型恒星的耀发信息。”

  把时光放回到160多年前,Richard Carrington在他对太阳耀斑具有奠基性意义的论文里,文末引用了源自古希腊著名哲人亚里士多德的名言:“One swallow does not make a summer (一燕不成夏).”在当时那个年代,他已经隐约估计到了太阳耀斑发现的重要意义。

  160多年后的今天,我们从大量恒星耀发的样本中,可以更自信地用《增广贤文》里的名句来表达我们对恒星耀发研究的期待:“一花独放不是春,万紫千红春满园”。

  参考文献:

  [1] 谭宝林,《太阳之美:一颗恒星的过去、现在和未来》,天津科学技术出版社,2019年,天津

  [2] Carrington R. C., 1859, MNRAS, 20, 13

  [3] Hodgson R., 1859, MNRAS, 20, 15

  [4] 方成、丁明德、陈鹏飞,《太阳活动区物理》,南京大学出版社,2008年,南京

  [5] 涂传诒、宗秋刚、何建森、田晖、王玲华,《日地空间物理学(第二版)上册:日球层物理》,科学出版社,2020年,北京

  [6] Joy, A.H. & Humason, M.H., 1949, PASP, 61, 133

  [7] 苏宜,《天文学新概论(第五版)》,科学出版社,2019年,北京

  [8] Brun A. S., Browning M. K., 2017, Living Rev. Sol. Phys., 14, 4

  [9] Borucki W. J. et al., 2010, Science, 327, 977

  [10] Yan Y. et al., 2021, MNRAS, 505, L79

  [11] Weisstein, Eric W. "LogNormal Distribution." From MathWorld--A Wolfram Web Resource. https://mathworld.wolfram.com/LogNormalDistribution.html

  作者:闫岩

  文稿编辑:赵宇豪

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 习近平同巴西总统卢拉共同签署联合声明

  • 习近平同巴西总统卢拉共见记者

独家策划

推荐阅读
记者20日从中国航天科技集团一院获悉,该院抓总研制的长征十号系列火箭近日成功完成整流罩分离试验,标志着该系列火箭初样研制又迈出了坚实一步。
2024-11-21 09:14
作为战略性新兴产业,低空经济产业链条长,涵盖航空器研发与制造、低空飞行基础设施建设与运营、飞行服务与保障等产业,对构建现代产业体系具有重要作用。
2024-11-21 09:12
工业革命改变了世界面貌,为人类生产生活带来深远影响。当今世界,人工智能迅猛发展,推动人类社会深度变革。在此过程中,电力行业也在逐步向数字化和智能化转型。
2024-11-21 09:10
数据显示,2023年我国低空经济规模超5000亿元,增速超过33%,2030年有望达到2万亿元。2024年以来,全国已有超过26个省(区、市)将低空经济写进政府工作报告。
2024-11-21 09:09
日前,国际学术期刊《自然·通讯》在线刊发江西省农业科学院原院长颜龙安院士团队联合河北大学杜会龙教授团队的研究成果:首个稻属最全超级泛基因组图谱绘制成功。
2024-11-21 09:09
全海深光电缆绞车系统“海威GD11000”,日前随广州海洋地质调查局“海洋地质二号”船在我国南海完成了首个航次的深海调查任务。
2024-11-20 09:21
近日,中国科学院兰州化学物理研究所研究员何林团队与武汉大学教授雷爱文团队合作,在催化羰基化领域取得重要进展——成功利用一氧化碳或二氧化碳替代剧毒光气,高效合成含氮羰基化合物非对称脲。。
2024-11-20 09:24
这种菌能够迅速分解番茄、辣椒、娃娃菜等多种蔬菜尾菜,并具有促进作物生长、拮抗土传病原菌等功能特性。在此基础上,课题组进一步研发了“蔬菜尾菜+快速腐解菌+有机肥+功能菌”四位一体的原位还田技术。
2024-11-20 09:20
11月18日,在沪渝蓉高铁全线控制性咽喉工程崇太长江隧道内,我国盾构隧道智能建造V2.0技术体系正式在“领航号”盾构机成功应用
2024-11-20 09:19
19日,四川、重庆、贵州三省市同步首发动力型锂电池试运专列,这是我国铁路首次大规模试运输动力锂电池,将助力国产动力锂电池产品的全球流通。
2024-11-20 09:13
近年来,北京市延庆区大力发展低空经济,2023年相关产业产值达23.3亿元。天气渐冷,北京八达岭长城脚下,中关村延庆园内的低空经济产业园依旧热火朝天,一派繁忙景象。
2024-11-19 09:50
据最新一期《自然·化学》杂志报道,美国加州大学圣迭戈分校团队在最新研究中给出了一个涉及两种简单分子间反应的精妙解释。
2024-11-19 09:47
利用样地观测数据、空间分析和树线模型模拟,中国科学院青藏高原研究所研究员梁尔源等人系统分析了尼泊尔珠峰国家公园和安纳普纳保护区混交林树线,揭示了糙皮桦和喜马拉雅冷杉的种群更新动态和树线位置变化。
2024-11-19 09:46
机器人服务员、咖啡师、宠物……各种机器人让人目不暇接。自动载人飞行器,无人机、无人车、无人船……智能驾驶技术遍布“海陆空”。11月14日至16日,第二十六届中国国际高新技术成果交易会在广东深圳举行。
2024-11-19 04:55
近日,记者从湖北省神农架林区林业管理局野保科开展的陆生野生脊椎类动物普查中获悉,神农架现有陆生野生脊椎类动物710种,比原来的493种增加217种。
2024-11-19 05:00
北京时间11月15日23时13分,天舟八号货运飞船在文昌航天发射场由长征七号遥九运载火箭成功发射。自中国空间站建造以来,空间应用系统已在轨开展了百余项科学实验和应用试验,阶段性研究成果持续产出。
2024-11-18 10:27
中国科学院生物物理研究所王晓群研究员课题组、广东省智能科学与技术研究院张旭院士课题组和北京师范大学吴倩教授课题组合作,深入解析了人类背根神经节(DRG)发育过程中调控多种感觉神经元分化的多层级信号通路,并成功构建了人类DRG类器官(hDRGOs)模型。通过比较人类和小鼠的感觉神经元发育,研究人员发现两者在发育进程、基因表达谱和细胞亚型上存在差异。
2024-11-18 10:24
党的二十届三中全会提出,发展通用航空和低空经济。航空航天民航高校应发挥特色优势,形成“航空+”的多元化低空经济专业型人才培养模式,促进低空经济科技链、人才链、产业链的有机衔接。
2024-11-18 10:21
中北大学极端环境特种传感与测试创新研究团队成员正在围绕近期发射任务进行产品研发。日前,第28届“中国青年五四奖章”评选揭晓,中北大学极端环境特种传感与测试创新研究团队获“中国青年五四奖章集体”荣誉称号。
2024-11-18 10:16
据中国载人航天工程办公室消息,天舟七号货运飞船已于11月17日21时25分受控再入大气层。 天舟七号货运飞船于2024年1月17日在文昌航天发射场发射入轨,装载了航天员在轨驻留消耗品、推进剂、应用实(试)验装置等物资。
2024-11-18 10:14
加载更多