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:太阳射电斑马纹——条纹之美与耦合之谜
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

太阳射电斑马纹——条纹之美与耦合之谜

来源:光明网2021-08-23 15:39

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  自从上个世纪四十年代美国科学家Grote Reber利用自制的9.45米口径抛物面射电望远镜首次观测到很强的太阳射电信号并开启了太阳射电天文学以来,以时间为x轴、频率为y轴、并以太阳射电辐射流量表示亮温度的的太阳射电动态频谱一直是我们揭示太阳射电爆发过程中的动力学特征的重要依据。

  在太阳活动事件(耀斑、暗条爆发、日冕物质抛射等)中,射电辐射也会发生显著增强。并在高时间-频率分辨率的动态频谱图上形成丰富多彩的频谱精细结构。这些精细结构通常叠加在增强的连续谱背景上,具有持续时间短、变化快、亮温高、结构复杂等特征。

  图1是上世纪五十年代在米波段观测到的准平行条纹状太阳射电频谱结构,这些美丽的条纹被形象地称之为斑马纹结构(ZebraPattern)。斑马纹结构是太阳射电频谱精细结构中最复杂也最引人注目的,表现为几条至几十条准平行、近似等间距的条纹状结构,亮暗条纹之间的间隔有时会随频率而变化。

太阳射电斑马纹——条纹之美与耦合之谜

图1. 二十世纪五十年代观测到的米波斑马纹结构。(图源:Elgarӧy,O.,1959,Nature,184,887)

  最初,人们主要在米波和十米波段开展太阳射电斑马纹结构的观测研究。到二十世纪末,随着中国太阳射电宽带动态频谱仪(SBRS)(昆明0.65-1.50GHz、怀柔1.10-2.06GHz、2.60-3.80GHz、5.20-7.60GHz,以及南京4.50-7.50GHz)和捷克的Ondřejov频谱仪(0.8-5.0GHz)的建成并投入观测,大量高时间-频率分辨率的斑马纹事件被陆续观测到,吸引了许多太阳射电天文学家和理论家们的高度关注。

  相较于米波-十米波波段,分米-厘米波段的辐射源区更接近太阳爆发能量的初始释放区域。由于射电辐射的观测特征(强度、频率、谱形等)与辐射源区的磁场、等离子体、高能粒子的加速与传播密切相关,所以,发生在微波波段的射电频谱精细结构可以用来诊断爆发事件源区的物理性质。

  图2是怀柔太阳射电宽带动态频谱仪观测到2002年4月21日的X1.5级耀斑事件中的斑马纹。如果我们将该频谱图的局部区域放大,如图3所示,将发现斑马纹的亮条纹其实是由许多准周期性的超精细脉动结构构成的,即斑马纹结构中还存在着超精细结构。

太阳射电斑马纹——条纹之美与耦合之谜

图2. 怀柔太阳射电宽带动态频谱仪(SBRS)观测到的2002年4月21日X1.5级耀斑事件中的斑马纹结构(图源:谭程明)

太阳射电斑马纹——条纹之美与耦合之谜

图3. 图2斑马纹局部放大,可见斑马纹的条纹是由许多准周期性的超精细脉动结构构成的(图源:Chen& Yan, 2007, Solar Physics, 246, 431)

  那么,太阳射电斑马纹结构是如何形成的呢?由于其极高的辐射亮温度,必然与某种相干辐射过程相关联。其中,等离子体中的Langmuir波的耦合是被大家讨论得最多的一种机制。高能电子束驱动的尾瘤不稳定性在等离子体中产生强Langmuir波,Langmuir波与等离子体中的其他波模耦合,将转换为可逃离源区的基频和各次谐频发射,从而形成准平行的条纹状结构。例如,伯恩斯坦模型认为所有的斑马纹都源自环顶一个较小的致密源区中Langmuir波与伯恩斯坦波的耦合,形成的条纹间距相同。

  哨声波模型提出等离子体Langmuir波可以和哨声波发生耦合,形成的条纹间距和哨声波频率相关,各条纹间的条纹间距可以不同,且哨声波可以解释同是条纹状辐射的纤维结构和斑马纹结构之间的转变。另外,还有基于等离子体中高混杂波与某一谐次的电子回旋波的共振耦合的双共振模型,该模型认为斑马纹的源区是沿磁流管分布的一个展源,各条纹产生于磁流管内的不同共振高度,条纹间距取决于磁场和等离子体密度随空间的变化特征。

  图4和图5为陈彬等人利用美国欧文斯谷太阳射电阵和三面测试天线观测得到的斑马纹结构,结合多波段观测和磁场外推方法得到的活动区磁场位型以及斑马纹辐射源区的可能位置。

太阳射电斑马纹——条纹之美与耦合之谜

图4. 左图为美国欧文斯谷太阳射电阵和三面测试天线观测到的斑马纹结构,右图的等值线表示4.6-6.3GHz频段射电辐射,虚线圆圈内三条直线的交点给出了斑马纹源区位置,背景是日本日出卫星观测到的太阳像(Ca II H)(图源:Chen etal., 2011, ApJ,736,64)

太阳射电斑马纹——条纹之美与耦合之谜

图5. 将斑马纹和连续谱的辐射源区叠加在磁场外推的结果上。图中乘号和三角符号分别表示连续谱和斑马纹的源区位置。左图是俯视图,右图是侧视图。(图源:Chen et al., 2011, ApJ,736,64 )

  随着太阳宽带频谱成像设备的发展与完善,如中国明安图射电频谱日像仪MUSER和美国欧文斯谷日像仪EOVSA的投入观测,以及太阳第25周活动峰年的到来,我们有望在射电波段看见斑马纹的空间轮廓,获得辐射源区的位置和空间结构信息,得到高能粒子空间演化的动力学特征以及辐射源区磁场和等离子体的信息。新数据的获得将为解开太阳射电斑马纹的形成之谜带来全新的视角,并进一步推动太阳物理和等离子体物理基本理论的发展。

  作者简介:张印,中国科学院国家天文台副研究员,主要从事太阳磁场和太阳射电的研究。

  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

  • 寻童心 备高考

  • 山东曹县:发展芦笋产业 赋能乡村振兴

独家策划

推荐阅读
“九章四号”被应用于高效求解高斯玻色采样任务,其计算速度相比当前全球最快的超级计算机快1054倍(即量子优势比为1054),成功建立了国际上最强的量子计算优越性。
2026-05-15 03:15
夏粮收购是全年粮食收购的首战,对于保护种粮农民利益、维护粮食市场平稳运行、保障粮食稳定安全供给具有重要意义。
2026-05-15 03:25
5月14日,我国首座海上移动式多功能措施平台“海洋石油283”(又称“增产一号”)从青岛西海岸新区启运
2026-05-15 03:25
5月14日11时,朱雀二号改进型遥五运载火箭在东风商业航天创新试验区发射升空,运载火箭全程飞行正常,二子级进入预定轨道,飞行试验任务取得圆满成功。
2026-05-15 03:15
自然资源部13日发布的最新找矿成果显示,西藏罗布莎矿区新增铬铁矿资源量73.83万吨,实现矿山深边部找矿突破。找矿团队还在西藏东巧地区首次评价沉积型铬铁矿,新增伴生铬铁矿矿石量114.63万吨,拓展了我国铬铁矿找矿空间。
2026-05-15 02:55
中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、张强、刘乃乐等组成的研究团队联合国内多家科研单位,成功研制出1024个量子压缩态输入、8176模式的可编程量子计算原型机“九章四号”。
2026-05-14 09:49
当前,全球科技创新格局深度调整,科技成果转化已成为衡量国家创新体系效能的关键标尺。
2026-05-14 03:05
中国人对天宇的想象,自古便深沉而浪漫。在东华大学,科研人员将来自38万公里外的月球土壤化为一缕缕兼具柔性与强度的星际之丝。
2026-05-14 02:40
近日,中国科学院化学研究所研究员乔燕、王树团队联合国内外科学家,首次实现人工细胞的形态与功能不对称分裂,为理解类生命功能涌现和原始细胞形成提供了新路径。
2026-05-14 02:40
近日,国家网信办、国家发展改革委、工业和信息化部联合印发《智能体规范应用与创新发展实施意见》(以下简称《实施意见》),明确支持探索智能体在城市规划、建设与治理环节的规范应用,同时将智能体安全、可靠、可信作为产业发展的底线要求。
2026-05-14 02:25
“请帮我检索南京附近适合亲子旅游的路线”“我想买个电热水器,请帮我推荐几款实用的”……如今,越来越多的消费者开始将AI(人工智能)当作“随身消费参谋”。从规划旅游路线到挑选酒店民宿,再到日常购物选择,很多消费者习惯先问一问AI工具,再做消费决策。
2026-05-13 09:30
在这一过程中,颠覆性技术正由潜在变量转变为关键变量,成为重塑产业结构、重构竞争格局的重要力量。颠覆性技术具有“路径替代”特征,能够深刻改变产业格局。综上所述,未来产业发展呈现出“技术跃迁—场景转化—工程化扩张”的基本路径。
2026-05-13 09:22
搭载单核180个计算比特自主超导量子芯片的“本源悟空-180”量子计算机已上线运行,开始接收全球量子计算任务。
2026-05-13 02:30
2018年,厦大教师吴彩胜带着一群厦大青年来到这里。他们发现,当地的农副产品虽然产量不小,却因缺乏检测条件,面临“好产品难认证”的困境。
2026-05-13 02:20
浦江潮涌,惠风和畅。5月12日,第十二届亚太经合组织(APEC)食品安全合作论坛(FSCF)会议在上海举行。
2026-05-13 02:25
今年5月12日是第18个全国防灾减灾日,主题是“人人讲安全、个个会应急——提高防灾减灾救灾能力”。
2026-05-12 02:40
习近平总书记在加强基础研究座谈会上强调,基础研究是整个科学体系的源头,是所有技术问题的总机关。
2026-05-12 02:40
当前,我国正处于加快建设教育强国的关键时期。教育作为强国建设、民族复兴之基,战略地位更加凸显,迎来了前所未有的发展机遇
2026-05-12 02:40
十年来,北京大学考古文博学院坚守初心、守正创新,聚焦学科、学术、话语、育人四大体系一体化建设,并以实践创新贯穿始终,让四者协同赋能
2026-05-12 02:40
回顾人类社会发展史可以发现,任何一个国家的崛起都伴随着思想文化的兴盛和知识体系的自主建构。
2026-05-12 02:40
加载更多