當(dāng)太陽變成“小星星”——“羲和號(hào)”教你從光譜中讀懂恒星大氣爆發(fā)活動(dòng)

導(dǎo)語

讀者朋友，你可曾想象過，如果太陽也像夜空中的那些星星一樣，距離我們非常遙遠(yuǎn)，變成浩瀚星空中一個(gè)微弱的亮點(diǎn)，我們還能捕捉到它的大氣中所發(fā)生的暗條爆發(fā)、耀斑、日冕物質(zhì)拋射等劇烈活動(dòng)的跡象嗎？此外，太陽上的各類爆發(fā)活動(dòng)在其他恒星上是否也會(huì)類似上演？為了回答這些問題，我們借助太陽衛(wèi)星“羲和號(hào)”的觀測(cè)，把太陽當(dāng)作一顆普通的遙遠(yuǎn)恒星來研究，試圖通過恒星整體光譜去讀懂它的“喜怒哀樂”。

一、為什么需要「把太陽當(dāng)作一顆遙遠(yuǎn)恒星」來研究？

在廣袤的宇宙中，恒星是行星系統(tǒng)的“中心舞臺(tái)”。像太陽這樣的恒星，時(shí)常會(huì)通過暗條爆發(fā)、耀斑和日冕物質(zhì)拋射等活動(dòng)，深刻影響其周圍行星的空間環(huán)境與大氣狀態(tài)，甚至可能決定生命能否生存。然而，絕大多數(shù)恒星離我們太過遙遠(yuǎn)，在望遠(yuǎn)鏡中它們只是一個(gè)個(gè)小光點(diǎn)，我們無法像觀測(cè)太陽那樣看清它們表面的細(xì)節(jié)。但是當(dāng)這些遙遠(yuǎn)恒星的大氣中發(fā)生“發(fā)脾氣”式的爆發(fā)時(shí)，它們的整體觀測(cè)特征也會(huì)隨之變化，其中恒星整體光譜便蘊(yùn)含了豐富的恒星大氣爆發(fā)活動(dòng)信息。

為了“翻譯”這些遙遠(yuǎn)恒星的整體光譜信息，科學(xué)家們提出了一種巧妙的研究方法——?“Sun-as-a-star”（把太陽當(dāng)作一顆遙遠(yuǎn)恒星）?。簡(jiǎn)單來說，就是把太陽的成像和光譜觀測(cè)數(shù)據(jù)，在整個(gè)日面上進(jìn)行“空間積分”——也就是把整個(gè)太陽當(dāng)作一個(gè)點(diǎn)光源來處理，然后與遙遠(yuǎn)恒星的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，看看太陽的哪些爆發(fā)特征在其他恒星的觀測(cè)數(shù)據(jù)中也能被找到。

二、“羲和號(hào)”帶來了哪些新的發(fā)現(xiàn)？它們對(duì)理解恒星大氣爆發(fā)活動(dòng)有什么啟發(fā)？

我國(guó)的“羲和號(hào)”衛(wèi)星提供了高質(zhì)量的太陽全日面Hα光譜觀測(cè)數(shù)據(jù)。基于這些數(shù)據(jù)，來自中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)和南京大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，對(duì)幾種不同類型的太陽爆發(fā)進(jìn)行了深入分析。他們并?不只是對(duì)爆發(fā)區(qū)域籠統(tǒng)地分析，而是把太陽爆發(fā)源頭劃分成不同的小區(qū)域，每個(gè)區(qū)域由不同物理過程主導(dǎo)?，分區(qū)域地開展積分光譜研究，取得了以下發(fā)現(xiàn)：

1、耀斑帶如同“紅色火焰”?：在這里，空間積分后的Hα光譜展現(xiàn)出持續(xù)的線心輻射增強(qiáng)、譜線增寬和紅翼不對(duì)稱特征——這是太陽耀斑中色球壓縮過程的“典型指紋”。

2、爆發(fā)暗條好似“藍(lán)色魅影”?：在其不同的演化階段?，積分光譜展現(xiàn)出?加速的藍(lán)移吸收 → 減速的藍(lán)移吸收 → 紅移吸收?的完整變化過程，正好記錄了太陽暗條中冷等離子體從抬升、減速到最終回落的全過程（如圖1所示）。

3、新發(fā)現(xiàn)修正傳統(tǒng)認(rèn)知?：傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，Hα光譜中的藍(lán)移吸收信號(hào)就是暗條成功爆發(fā)并產(chǎn)生日冕物質(zhì)拋射的證據(jù)，但這項(xiàng)研究卻表明有時(shí)看到藍(lán)移吸收，可能只是暗條“嘗試起飛卻失敗墜回”；而有些被確認(rèn)伴隨日冕物質(zhì)拋射的真正的暗條成功爆發(fā)事件，反而可能因?yàn)橐邘л椛涮珡?qiáng)而“隱身”——在Hα光譜中沒有明顯的藍(lán)移吸收信號(hào)（如圖2所示）。這一現(xiàn)象或許能解釋為什么過去借助恒星Hα光譜觀測(cè)確認(rèn)的日冕物質(zhì)拋射事件非常少。因?yàn)槟鼙晃覀兦宄吹降暮阈潜l(fā)，大多是比太陽耀斑強(qiáng)得多的“超級(jí)耀斑”，它們發(fā)出的強(qiáng)光很容易掩蓋掉暗條爆發(fā)留下的痕跡。

三、展望

研究團(tuán)隊(duì)還結(jié)合美國(guó)SDO衛(wèi)星的極紫外光譜數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：同一個(gè)暗條爆發(fā)事件在更高溫譜線中觀測(cè)到的等離子體運(yùn)動(dòng)速度要普遍高于Hα譜線（如圖3所示），二者結(jié)合能夠更好地刻畫暗條演化的完整過程，為診斷后續(xù)可能形成的日冕物質(zhì)拋射提供更好地觀測(cè)限制。對(duì)此，?研究人員強(qiáng)調(diào)?：“這項(xiàng)研究為從恒星整體Hα光譜數(shù)據(jù)中解構(gòu)出爆發(fā)源區(qū)的相關(guān)物理過程提供了關(guān)鍵線索，也表明了來自紫外、X射線、射電等不同波段的協(xié)同觀測(cè)對(duì)于我們?nèi)胬斫馓柵c恒星大氣爆發(fā)活動(dòng)的重要價(jià)值。”這意味著，未來若推動(dòng)涵蓋多波段的太陽-恒星聯(lián)合觀測(cè)項(xiàng)目，將幫助我們?cè)凇昂阈侨绾斡绊懫渲車行且司有浴边@一前沿領(lǐng)域取得更多突破。

圖1. “羲和號(hào)”衛(wèi)星觀測(cè)到的一個(gè)伴隨失敗暗條爆發(fā)的耀斑事件。爆發(fā)源區(qū)在Hα線心和線翼的成像（a1–a3）、多普勒速度場(chǎng)（b1–b2），以及分區(qū)積分的Sun-as-a-star Hα?xí)r序光譜（c1–c4，分別對(duì)應(yīng)整體源區(qū)、暗條抬升區(qū)、耀斑帶和暗條下落區(qū)）。

圖2. 一個(gè)X9.0級(jí)大耀斑事件在Hα線心的成像（a）、LASCO C2的白光波段CME成像（b）和Sun-as-a-star Hα?xí)r序光譜（c）。

圖3. 伴隨成功爆發(fā)（a、b）以及失敗爆發(fā)（c）暗條的耀斑事件的Hα和OV時(shí)序光譜。底色圖表示爆發(fā)源區(qū)整體積分的Sun-as-a-star Hα光譜，灰色陰影區(qū)域?yàn)槿彰娣e分的OV光譜。

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作者簡(jiǎn)介

侯義軍，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)項(xiàng)目研究員、博士生導(dǎo)師，主要從事太陽黑子、太陽暗條/日珥、太陽爆發(fā)活動(dòng)與恒星爆發(fā)活動(dòng)等方向的研究。。

本文轉(zhuǎn)載自《中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)》微信公眾號(hào)

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