磁場重聯(lián)是改變磁場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并將磁場能量轉(zhuǎn)化為等離子體能量的過程，該過程廣泛存在于實驗室等離子體物理、空間物理和天體物理現(xiàn)象中。在太陽大氣中，磁場重聯(lián)可以引起太陽爆發(fā)、加速能量粒子、加熱日冕等，是太陽活動的重要驅(qū)動過程。

　　雙向出流是磁場重聯(lián)的重要特征之一。目前只在太陽大氣的小區(qū)域（若干角秒）內(nèi)觀測到重聯(lián)雙向出流的多普勒效應(yīng)。在這些觀測到重聯(lián)出流多普勒頻移的小尺度磁場重聯(lián)現(xiàn)象中，有的與驅(qū)動小尺度噴流有關(guān)，有的與加熱小規(guī)模光球等離子體有關(guān)。由于缺乏覆蓋大區(qū)域的光譜觀測，目前我們并不清楚磁場重聯(lián)及其出流在太陽大氣中的空間分布情況，也未完全認(rèn)識重聯(lián)區(qū)域的熱力學(xué)性質(zhì)。

　　太陽暗條是太陽大氣中具有較低溫度和較高密度的結(jié)構(gòu)。模型模擬和成像觀測表明，磁場重聯(lián)可以發(fā)生在暗條結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，并導(dǎo)致暗條的分裂和部分爆發(fā)。另外，對于特別的具有上下兩個暗條分支的暗條結(jié)構(gòu)，磁場重聯(lián)可以在這兩個暗條分支之間發(fā)生，并引起上方暗條分支的爆發(fā)，進(jìn)而形成整個暗條結(jié)構(gòu)的部分爆發(fā)。迄今為止，沒有與暗條分裂有關(guān)的磁場重聯(lián)雙向出流的光譜觀測證據(jù)。因此，對于暗條內(nèi)部的磁場重聯(lián)，目前缺乏明確的證據(jù)。

　　中科院空間中心劉潁研究員團(tuán)隊的胡會東博士，聯(lián)合國內(nèi)外其他合作者，基于高分辨率紫外光譜和成像觀測，報告了關(guān)于太陽大氣中磁場重聯(lián)及其雙向出流的觀測研究結(jié)果，首次為磁場重聯(lián)導(dǎo)致太陽暗條分裂提供了明確的光譜觀測證據(jù)。

　　圖1（動畫）由“太陽動力學(xué)天文臺”（SDO）的304？波段極紫外成像生成。該圖（動畫）顯示一個太陽暗條結(jié)構(gòu)通過磁場重聯(lián)分裂為上下兩部分，并且上方暗條最終爆發(fā)而下方暗條留在原地。因此，可以稱該暗條結(jié)構(gòu)發(fā)生了部分爆發(fā)。在2017年7月13日世界時22:43 左右，在這個暗條結(jié)構(gòu)中、兩個相鄰的暗條分支之間有持續(xù)約10分鐘的增亮，可能反映了磁場重聯(lián)對當(dāng)?shù)氐入x子體的加熱。該增亮被“太陽界面區(qū)成像光譜儀”（IRIS）通過高空間分辨率和高頻譜分辨率的光譜掃描觀測到。

 

圖1（動畫）：SDO/AIA 在304？波段成像觀測到暗條分裂和部分爆發(fā)。

　　圖2展示的是IRIS Si IV 1393.755 ？譜線的分析結(jié)果。在SDO/AIA 304？的增強區(qū)域，Si IV譜線有超過50 km/s的多普勒紅移和藍(lán)移、增加的非熱寬度和強度。這些特征反映在該區(qū)域正發(fā)生磁場重聯(lián)。譜線的多普勒頻移反映重聯(lián)雙向出流的視向速度，譜線非熱寬度的增加可能由重聯(lián)引起的湍流或出流速度的彌散導(dǎo)致，譜線強度的增加則體現(xiàn)了當(dāng)?shù)氐入x子體被磁場重聯(lián)加熱。

圖2：(a-b) SDO/AIA和SDO/HMI觀測到的暗條結(jié)構(gòu)及其周圍的光球磁場；(c-e) IRIS掃描得到的Si IV 1393.755？譜線的多普勒速度、非熱寬度和強度，其視場如(a)中矩形所示。

　　對光譜數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在磁場重聯(lián)點附近，出流視向速度最大約為150 km/s，并且在離開重聯(lián)點后迅速降低，使譜線沿著狹縫的輪廓呈“Z”字形（見圖3）。這些特征排除了觀測到的多普勒速度是來自等離子體旋轉(zhuǎn)或螺旋運動的可能性。另外，藍(lán)移側(cè)的譜線寬度在離重聯(lián)點若干角秒處有增加，這可能是向上的重聯(lián)出流與上方暗條相互作用產(chǎn)生湍流的跡象。

圖3：兩條IRIS掃描狹縫的數(shù)據(jù)中Si IV 1393.755？譜線的輪廓分析結(jié)果。

　　圖4展示的是通過“微分發(fā)射度”(differential emission measure)分析方法得到的磁場重聯(lián)區(qū)域的溫度及其隨時間變化的情況。分析結(jié)果顯示，磁場重聯(lián)區(qū)域的溫度高達(dá)14百萬開爾文，比重聯(lián)發(fā)生前溫度高9百萬開爾文；磁場重聯(lián)區(qū)域的電子密度達(dá)3.9×10¹⁰ cm^-3，大約是重聯(lián)發(fā)生前的2倍；磁場重聯(lián)產(chǎn)生的能量中90%以上轉(zhuǎn)化為重聯(lián)區(qū)域等離子體的熱能。

圖4：基于SDO/AIA多波段成像數(shù)據(jù)的“微分發(fā)射度”分析，展示了磁場重聯(lián)區(qū)域的溫度及其隨時間的變化。

　　以上分析表明，束縛暗條結(jié)構(gòu)的磁力線經(jīng)過一系列重聯(lián)后，最終導(dǎo)致該暗條結(jié)構(gòu)分裂為上下兩個部分；相關(guān)磁場重聯(lián)發(fā)生在長達(dá)前所未知的14000公里的區(qū)域；盡管重聯(lián)出流的速度在100 km/s量級，磁場重聯(lián)產(chǎn)生的能量絕大部分轉(zhuǎn)化為等離子體的熱能，使重聯(lián)區(qū)域的溫度達(dá)到一千萬開爾文以上。

　　這些研究結(jié)果發(fā)表于The Astrophysical Journal Letters（《天體物理學(xué)報通信》）。該研究給出了磁場重聯(lián)引起暗條分裂的明確光譜觀測證據(jù)，并揭示了太陽大氣中磁場重聯(lián)及其出流的空間分布、磁場重聯(lián)的熱力學(xué)特征；論文也討論了太陽暗條因磁場重聯(lián)發(fā)生多次分裂、并形成多次爆發(fā)的情形，以及其對空間天氣研究的意義。審稿人評價：上述觀測證據(jù)是令人信服的（“convincing observational evidence”），相關(guān)工作是關(guān)于日冕中暗條和磁場重聯(lián)的有價值的研究（“worthy addition”，“valuable case study”），相關(guān)論文是吸引人的好文章（“interesting study”，“good article”，“great one”）。

　　論文信息：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

　　（供稿：天氣室）