空间中心科研人员揭示太阳大气磁场重联分布特征并给出重联导致暗条分裂的明确证据

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磁场重联是改变磁场拓扑结构并将磁场能量转化为等离子体能量的过程，该过程广泛存在于实验室等离子体物理、空间物理和天体物理现象中。在太阳大气中，磁场重联可以引起太阳爆发、加速能量粒子、加热日冕等，是太阳活动的重要驱动过程。

双向出流是磁场重联的重要特征之一。目前只在太阳大气的小区域（若干角秒）内观测到重联双向出流的多普勒效应。在这些观测到重联出流多普勒频移的小尺度磁场重联现象中，有的与驱动小尺度喷流有关，有的与加热小规模光球等离子体有关。由于缺乏覆盖大区域的光谱观测，目前我们并不清楚磁场重联及其出流在太阳大气中的空间分布情况，也未完全认识重联区域的热力学性质。

太阳暗条是太阳大气中具有较低温度和较高密度的结构。模型模拟和成像观测表明，磁场重联可以发生在暗条结构的内部，并导致暗条的分裂和部分爆发。另外，对于特别的具有上下两个暗条分支的暗条结构，磁场重联可以在这两个暗条分支之间发生，并引起上方暗条分支的爆发，进而形成整个暗条结构的部分爆发。迄今为止，没有与暗条分裂有关的磁场重联双向出流的光谱观测证据。因此，对于暗条内部的磁场重联，目前缺乏明确的证据。

中国科学院国家空间科学中心刘颍研究员团队的胡会东博士，联合国内外其他合作者，基于高分辨率紫外光谱和成像观测，报告了关于太阳大气中磁场重联及其双向出流的观测研究结果，首次为磁场重联导致太阳暗条分裂提供了明确的光谱观测证据。

图1（动画）由“太阳动力学天文台”（SDO）的304Å波段极紫外成像生成。该图（动画）显示一个太阳暗条结构通过磁场重联分裂为上下两部分，并且上方暗条最终爆发而下方暗条留在原地。因此，可以称该暗条结构发生了部分爆发。2017年7月13日世界时22:43 左右，在这个暗条结构中、两个相邻的暗条分支之间有持续约10分钟的增亮，可能反映了磁场重联对当地等离子体的加热。该增亮被“太阳界面区成像光谱仪”（IRIS）通过高空间分辨率和高频谱分辨率的光谱扫描观测到。

图1（动画）：SDO/AIA 在304Å波段成像观测到暗条分裂和部分爆发。

图2展示的是IRIS Si IV 1393.755 Å谱线的分析结果。在SDO/AIA 304Å的增强区域，Si IV谱线有超过50 km/s的多普勒红移和蓝移、增加的非热宽度和强度。这些特征反映在该区域正发生磁场重联。谱线的多普勒频移反映重联双向出流的视向速度，谱线非热宽度的增加可能由重联引起的湍流或出流速度的弥散导致，谱线强度的增加则体现了当地等离子体被磁场重联加热。

图2：(a-b) SDO/AIA和SDO/HMI观测到的暗条结构及其周围的光球磁场；(c-e) IRIS扫描得到的Si IV 1393.755Å谱线的多普勒速度、非热宽度和强度，其视场如(a)中矩形所示。

对光谱数据的进一步分析发现，在磁场重联点附近，出流视向速度最大约为150 km/s，并且在离开重联点后迅速降低，使谱线沿着狭缝的轮廓呈“Z”字形（见图3）。这些特征排除了观测到的多普勒速度是来自等离子体旋转或螺旋运动的可能性。另外，蓝移侧的谱线宽度在离重联点若干角秒处有增加，这可能是向上的重联出流与上方暗条相互作用产生湍流的迹象。

图3：两条IRIS扫描狭缝的数据中Si IV 1393.755Å谱线的轮廓分析结果。

图4展示的是通过“微分发射度”(differential emission measure)分析方法得到的磁场重联区域的温度及其随时间变化的情况。分析结果显示，磁场重联区域的温度高达14百万开尔文，比重联发生前温度高9百万开尔文；磁场重联区域的电子密度达3.9×1010 cm-3，大约是重联发生前的2倍；磁场重联产生的能量中90%以上转化为重联区域等离子体的热能。

图4：基于SDO/AIA多波段成像数据的“微分发射度”分析，展示了磁场重联区域的温度及其随时间的变化。

以上分析表明，束缚暗条结构的磁力线经过一系列重联后，最终导致该暗条结构分裂为上下两个部分；相关磁场重联发生在长达前所未知的14000公里的区域；尽管重联出流的速度在100 km/s量级，磁场重联产生的能量绝大部分转化为等离子体的热能，使重联区域的温度达到一千万开尔文以上。

这些研究结果发表于The Astrophysical Journal Letters（《天体物理学报通信》）。该研究给出了磁场重联引起暗条分裂的明确光谱观测证据，并揭示了太阳大气中磁场重联及其出流的空间分布、磁场重联的热力学特征；论文也讨论了太阳暗条因磁场重联发生多次分裂、并形成多次爆发的情形，以及其对空间天气研究的意义。审稿人评价：上述观测证据是令人信服的(“convincing observational evidence”)，相关工作是关于日冕中暗条和磁场重联的有价值的研究(“worthy addition”，“valuable case study”)，相关论文是吸引人的好文章(“interesting study”，“good article”，“great one”)。

论文信息：Hu H, Liu Y D, Chitta L P, Peter H, & Ding M. Spectroscopic and Imaging Observations of Spatially Extended Magnetic Reconnection in the Splitting of a Solar Filament Structure. The Astrophysical Journal Letters, 2022, 940(1): L12.

DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac9dfd

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