【儀表網 研發快訊】以北京大學地球與空間科學學院田暉教授及其博士生楊子浩為主的合作研究團隊在日冕磁場測量方面取得重要進展。基于“二維冕震”方法和升級版日冕多通道偏振儀(UCoMP)的觀測，他們率先在國際上初步實現了日冕磁場的常規測量，揭示了日冕磁場在約8個月時間內的演化規律。這是繼2020年該團隊測得首幅全局性日冕磁圖后的又一重要進展，相關研究成果近日發表在國際頂尖學術期刊《科學》上。
 

　　磁場是太陽物理最重要的物理量，正是太陽磁場的演化導致了黑子11年周期、百萬度高溫的日冕以及猛烈的太陽爆發等重要現象。正因如此，測量太陽磁場一直是太陽物理學者最重要的使命之一，也是必須完成的任務。早在1908年，美國著名太陽物理學家、The Astrophysical Journal創刊人海爾(George Ellery Hale)將剛發現不久的塞曼效應用于太陽黑子的磁場測量，從而開啟了人類測量地球之外天體磁場的歷程。今天，這一方法仍被人們所沿用，基于這一方法，我們已經能夠對太陽表面(光球)的磁場分布及其演化進行高分辨率的日常測量。
 

　　然而，對于太陽大氣最外層的日冕，其磁場一直難以測量。這主要是因為日冕磁場很弱，并且日冕的高溫導致譜線輪廓很寬，使本來就不明顯的譜線分裂更難被測量出來。盡管人們利用磁場模型或者基于一些偶發現象嘗試研究和測量日冕磁場，但這些方法都具有各自的局限性。全球性、常態化的日冕磁場測量一直未能實現，這也限制了我們深入理解太陽的三維磁場結構及其演化過程，制約了包括日冕加熱和太陽爆發機制在內的諸多重要科學問題的研究。
 

　　2020年，田暉團隊基于“二維冕震”方法，通過研究日冕中普遍存在的磁流體橫波，首次實現了日冕全局性磁場的測量(Science, 369, 694, 2020；Sci China Tech Sci, 63, 2357, 2020)。然而，由于分析方法、儀器性能和觀測條件等的限制，當時僅有少數觀測數據可被用于日冕全局性磁場的測量，平均每年只能得到一兩幅全局性的日冕磁圖。
 

　　最新的UCoMP日冕儀是一臺能夠對日輪邊緣之外的日冕進行光譜成像觀測的設備，觀測視場范圍為距日心1.05—1.6個太陽半徑。利用UCoMP在Fe XIII 1074.7nm和1079.8nm譜線輪廓不同波長位置的成像數據，他們構建了這兩條近紅外譜線的強度輪廓，進一步得到包括譜線強度、多普勒速度在內的譜線參數的空間分布及其時間演化。多普勒速度圖的時間序列清晰地展示出日冕中廣泛存在的磁流體橫波。與此同時，他們進一步改進了“二維冕震”方法，使其能夠更準確、更高效地追蹤這些日冕波動，獲得波動傳播的方向及速度大小，并通過Fe XIII 1074.7nm和1079.8nm譜線對的強度比值診斷出日冕密度分布。結合波動追蹤和密度診斷結果，他們獲得了日冕磁場強度和方向的分布。利用UCoMP日冕儀從2022年2月至10月期間的日常觀測數據，他們獲得了共計114幅全局性的日冕磁圖，達到了大約每兩天一次的測量頻率，從而在國際上首次初步實現了日冕磁場的常態化測量。
 

　　圖1. 2022年6月1日UCoMP測量得到的日冕磁場強度(左上)和方向(右上)圖與日冕模型中的磁場強度(左下)和方向(右下)圖
 

　　基于UCoMP的日冕磁場測量結果，研究團隊還首次獲得了日冕中不同高度上磁場強度的全球分布圖及其隨時間的演化，并構建了針對日冕中不同高度的、類似光球綜合磁圖的日冕綜合磁圖，實現了在若干個太陽自轉周期內，對1.05—1.6個太陽半徑范圍內的日冕中幾乎所有緯度上磁場演化的監測。結果顯示，日心距1.05—1.6個太陽半徑范圍內的磁場強度可從小于1高斯到約20高斯。通過比較光球與日冕的磁場分布及其演化，可以發現二者之間總體上具有一致性。此外，他們也觀測到強磁場結構在類似的經度反復出現，說明活動經度帶在日冕磁場測量結果中也有明顯體現。
 

　　圖2. 在5個太陽自轉周內的光球綜合磁圖(上)、1.10—1.15個太陽半徑內(中)以及1.20—1.25個太陽半徑內(下)平均的日冕綜合磁圖
 

　　圖3. 3個不同時間的光球磁場(左)、1.10—1.15個太陽半徑內平均的日冕磁場(中)和1.20—1.25個太陽半徑內平均的日冕磁場(右)的全球分布
 

圖4. 在不同日期測得的日冕磁場分布圖疊加在日冕極紫外圖像上
 

　　研究團隊還將測量結果與先進的全球日冕磁流體力學數值模型進行了比較。結果表明，測量得到的日冕磁場大致是視線方向上輻射量加權平均的結果。測量得到的日冕磁場與模型的預測結果在中低緯度日冕中具有較高的相關性，但在高緯度和一些活動區存在不小的偏差。這些測量結果將為現有模型的完善和改進提供重要的觀測約束。
 

　　這一成果進一步完善了“二維冕震”方法，初步實現了全局性日冕磁場的日常測量，填補了太陽磁場測量方面的一項空白，使得太陽大氣磁場的常規測量從過去僅限于最底層的光球擴展到日心距最大約1.6個太陽半徑的日冕中。日冕磁場常規測量的初步實現，將促進黑子周期、日冕加熱、太陽爆發及空間天氣預報、日球層磁場演化等重大課題的研究。
 

　　然而，目前這一方法僅能得到日輪邊緣之外的日冕磁場在垂直于視線方向上(天空平面)的分量。未來還需要結合其他測量方法，實現對包括日面在內的整個日冕矢量磁場的完整測量，這將是太陽物理界未來至少數十年的一個重要研究目標。此外，利用“二維冕震”方法測量日冕磁場時會受到波動的復雜環境與性質的影響，如波動的反射、非線性過程及冕環的復雜結構等，這些因素可能會增大測量結果的不確定度，未來需要基于更真實的模型正演來研究其影響。
 

　　目前，國家重大科技基礎設施空間環境地基綜合監測網(子午工程二期)的光譜成像日冕儀剛剛建成。“二維冕震”方法有望應用到該設備的觀測數據中，從而實現在東半球的日冕磁場測量。與位于西半球的UCoMP常規測量相結合，我們有望進一步提高全局性日冕磁場測量的時間分辨率，為太陽物理研究提供更豐富的太陽大氣磁場數據支撐。此外，國內外多個團隊正在推動建造更大口徑的日冕儀，以期實現更高分辨率、更精確的日冕磁場測量。
 

　　論文的第一作者為楊子浩，通訊作者為田暉，其他合作者包括北京大學2019級本科生劉賢雨、美國國家大氣研究中心Steven Tomczyk和Sarah Gibson博士、英國諾桑比亞大學Richard Morton博士、美國預測科學公司Cooper Downs博士。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃以及科學探索獎等的資助。