日冕物質拋射（CME）源于日冕磁場的不穩(wěn)定性，大量的等離子體和磁場被從日冕拋射至行星際空間。CME具有重要的空間天氣效應，位于空間天氣研究和預報的核心。 對CME直接的就地測量僅發(fā)生于行星際空間，從未在日冕中進行過，而在行星際空間中的CME（稱為ICME）已是演化之后的狀態(tài)。在日冕中（即阿爾芬半徑以下區(qū)域）對CME及其相關結構進行直接就地測量，對于理解CME的爆發(fā)和加速機制、新生狀態(tài)、及其對日冕和行星際空間的影響無疑具有非常重要的意義。
Parker Solar Probe（PSP）衛(wèi)星于2022年9月5日，在歷史上首次在日冕中對快速CME及其相關結構進行了直接就地測量。結合日冕儀成像觀測和PSP就地測量，中國科學院國家空間科學中心（以下簡稱“空間中心”）太陽活動與空間天氣重點實驗室劉潁研究員等人研究了該CME及其激波的早期結構、日冕中電流片的磁重聯(lián)、聲速臨界點處的日冕的物理條件等關鍵科學問題。
圖1：STEREO和SOHO衛(wèi)星對CME和激波的成像觀測。PSP在離日心15個太陽半徑處開始對激波和CME進行直接就地測量
該CME發(fā)生于活動區(qū)13088（W170 S28 ）。 在日冕儀成像觀測中（見圖1），CME呈現(xiàn)出復雜的結構，它要么是扭曲的單一事件，要么是由兩個爆發(fā)組成的復合事件?？紤]到其結構的復雜性，對該CME進行擬合將很困難，然而對其激波在兩個視圖中都可以通過簡單的球形結構很好地擬合。對激波成像的擬合結果表明，激波的傳播方向為（W170 S50 ），激波前端峰值速度為2900km/s，預測激波將于9月5日的17:39 UT到達PSP，到達時激波的法向速度將為1300 km/s。鑒于該傳播方向和PSP在黃道面上的位置，PSP將從側面穿越激波和拋射物。
圖2：PSP在日冕中對快速CME進行直接就地穿越觀測
PSP在日冕中的就地觀測特征（見圖2）與從成像觀測得到的側面穿越的結論一致。雖然沒有對CME的磁流繩（flux rope）進行正面穿越，PSP的就地測量揭示了新生拋射物的三個獨特且重要的特征。首先，事件兩側太陽風的阿爾芬馬赫數小于或等于1，因此激波和拋射物仍然處于日冕中，而非行星際空間。其次，拋射物內部的溫度明顯高于激波上游的溫度。這表明拋射物始于日冕中的高溫源，并且拋射物仍處于其膨脹的早期階段。再次，拋射物的等離子體 也很高。高 意味著拋射物內部的磁場為高度非無力場，也表明熱壓梯度力是CME早期加速和膨脹的關鍵力量。這些結果與行星際空間中的觀測結果截然不同。
圖3：PSP在日冕中對激波進行直接就地觀測
PSP在17:27:19 UT觀測到了激波（見圖3），激波到達的時間早于從成像觀測預測的時間。研究人員利用PSP就地測量數據和最小二乘擬合的方法來確定激波的參數。激波的阿爾芬馬赫數僅為2.1左右，因此激波不是很強。激波的法向速度為840km/s，遠小于從成像觀測得到的速度（1300km/s）。鑒于PSP就地測量結果與成像觀測結果之間存在較大差異，我們認為該激波并非成像觀測中的激波。PSP的就地測量表明，等離子體和磁場參數在17:34 UT存在一個間斷面，這可能對應于一個衰退后的激波。它之所以衰退，是因為它傳播至具有高阿爾芬速的快速流中。這兩個激波的情形指出可能存在兩次連續(xù)爆發(fā)，預計這兩個激波很快就會合并。
圖4：PSP在日冕中就地觀測到了日球空間電流片（HCS）中的磁重聯(lián)、以及聲速臨界點處的太陽風（Ms～1）
PSP在日冕中也對日球空間電流片（HCS）進行了穿越觀測（見圖4），符合研究人員重構的全局的日冕磁場位形，也揭示HCS在CME爆發(fā)后變得更扭曲。在HCS中觀測到了明顯的磁重聯(lián)特征，包括降低的磁場強度、增加的徑向速度、以及升高的溫度。徑向磁場分量的突然變化符合Petscheck磁重聯(lián)機制。基于PSP的就地觀測，研究人員確定了HCS在日冕中的厚度約為2.8 104km。因為磁重聯(lián)發(fā)生于亞阿爾芬速太陽風中，重聯(lián)后的磁力線在向陽側能夠返回太陽并閉合，從而減少行星際空間中的磁通量，這對于日球空間中磁通量的長期平衡具有重要意義。
此外，PSP在穿越HCS之后觀測到了聲速臨界點處的太陽風，這也是歷史上首次對聲速臨界點處的日冕進行直接就地測量。一般認為，聲速臨界點位于離日心幾個太陽半徑處。而此次觀測指出聲速臨界點驚人地高，離日心約為15個太陽半徑。對太陽風溯源的結果表明，該處對應劉潁等人在2023年提出的低馬赫數邊界層（LMBL）結構，很可能LMBL結構為聲速臨界點的穿越提供了有利條件。在聲速臨界點處，日冕徑向磁場非常光滑，磁力線回轉現(xiàn)象（switchback）幾乎徹底消失。磁力線回轉現(xiàn)象普遍存在于PSP觀測數據中，是PSP重大的科學發(fā)現(xiàn)之一，然而其起源極具爭議?；谝陨嫌^測，研究人員提出磁力線回轉現(xiàn)象始于聲速臨界點之上的新論斷。
該論文發(fā)表于The Astrophysical Journal，第一作者與通訊作者均為空間中心劉潁研究員，合作者包括航天工程大學朱蓓、空間中心研究生冉豪等。這篇文章展示了日冕中CME及其相關結構的直接就地測量結果，對于理解CME的爆發(fā)和加速機制及其對日冕和行星際空間的影響具有非常重要的意義。
Citation:
Ying D. Liu, Bei Zhu, Hao Ran, Huidong Hu, Mingzhe Liu, Xiaowei Zhao, Rui Wang, Michael L. Stevens, and Stuart D. Bale, Direct In Situ Measurements of a Fast Coronal Mass Ejection and Associated Structures in the Corona, 2024, The Astrophysical Journal, 963, 85
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad1e56
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