日冕物質(zhì)拋射（CME）包含較強(qiáng)的磁場(chǎng)和大量高能等離子體，這些等離子體和磁場(chǎng)從低日冕爆發(fā)并進(jìn)入行星際空間。當(dāng)CME到達(dá)地球或其他行星時(shí)，可引發(fā)空間天氣事件。CME的磁場(chǎng)是影響空間天氣的一個(gè)關(guān)鍵因素，而CME的旋轉(zhuǎn)會(huì)改變CME到達(dá)地球和其他行星的磁場(chǎng)形態(tài)。前人的研究發(fā)現(xiàn)CME在低日冕發(fā)生明顯的旋轉(zhuǎn)過(guò)程，但通常認(rèn)為CME在行星際傳播過(guò)程不太可能發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生馬孟暄（第一作者）、楊利平研究員（通訊作者）、沈芳研究員（共同通訊）等與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地空學(xué)院申成龍教授、汪毓明教授以及深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室遲雨田博士等人合作提出了CME的非對(duì)稱膨脹及非一致的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起CME在行星際空間的旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)模擬天問(wèn)一號(hào)探測(cè)到的2021年12月4日CME事件證實(shí)該觀點(diǎn)。

該項(xiàng)研究使用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的AMR-SIP-CESE太陽(yáng)風(fēng)磁流體力學(xué)數(shù)值模式，由全球日震觀測(cè)網(wǎng)(GONG)  提供的全日面磁圖為驅(qū)動(dòng)，模擬得到太陽(yáng)到火星的太陽(yáng)風(fēng)物理參數(shù)。之后，采用GCS模型對(duì)太陽(yáng)和日光層天文臺(tái)(SOHO)/廣角日冕儀 (LASCO)和日地關(guān)系觀測(cè)臺(tái)（Stereo-A）觀測(cè)到的2021年12月4日CME事件進(jìn)行擬合，得到CME的初始化參數(shù)，以驅(qū)動(dòng)CME在太陽(yáng)到火星的傳播演化模擬。模擬結(jié)果再現(xiàn)了SOHO/LASCO C3和STEREO-A/COR2觀測(cè)到CME在日冕的形態(tài)及位置。同時(shí)，模擬得到了CME到達(dá)水星、火星等附近的狀態(tài)，并與“貝皮·哥倫布”（Bepi-Colombp）衛(wèi)星、火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)（MAVEN）衛(wèi)星和天問(wèn)一號(hào)衛(wèi)星的原位測(cè)量進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模擬能重現(xiàn)CME及其驅(qū)動(dòng)激波的到達(dá)時(shí)間、激波強(qiáng)度等，但模擬得到的CME磁場(chǎng)強(qiáng)度和形態(tài)與原位測(cè)量有一定差異（如圖1）。這可能是由于初始CME的磁場(chǎng)形態(tài)沒能完全刻畫真實(shí)CME的磁場(chǎng)形態(tài)。

圖1：CME行星際模擬結(jié)果與Bepi-Colombo衛(wèi)星（左圖）、MAVEN衛(wèi)星和天問(wèn)一號(hào)衛(wèi)星（右圖）局地探測(cè)對(duì)比。

在以上模擬重現(xiàn)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，研究人員通過(guò)分析CME從太陽(yáng)到火星的傳播過(guò)程，發(fā)現(xiàn)該CME事件在日冕中發(fā)生非對(duì)稱膨脹，在行星際傳播過(guò)程中表現(xiàn)為CME的不同部位運(yùn)動(dòng)速度不同。模擬得到CME的三維立體結(jié)構(gòu)顯示在日冕中CME的上部位于低緯低速太陽(yáng)風(fēng)，受閉合磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)及日球電流片限制，CME的上部保持在低緯區(qū)域；但CME的下部位于開放磁場(chǎng)，發(fā)生了明顯膨脹進(jìn)入高緯高速太陽(yáng)風(fēng)。當(dāng)CME從日冕進(jìn)入到行星際空間，受拖拽力的影響，CME各部分速度接近背景太陽(yáng)風(fēng)速度，導(dǎo)致CME的上部運(yùn)動(dòng)慢，下部分運(yùn)動(dòng)快，從而CME發(fā)生旋轉(zhuǎn)（如圖2）。

圖2：CME磁通量繩結(jié)構(gòu)（黑色線代表軸向）在行星際傳播過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)。

該項(xiàng)研究對(duì)理解CME在日球?qū)觽鞑パ莼^(guò)程中的動(dòng)力學(xué)及結(jié)構(gòu)的變化提供了新的視角，相關(guān)結(jié)果發(fā)表于The?Astrophysical?Journal。本研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及中國(guó)科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。

論文鏈接：

Mengxuan Ma,?Liping Yang*,?Fang Shen*,?Chenglong Shen,?Yutian Chi,?Yuming Wang,?Yufen Zhou,?Man Zhang,?Daniel Heyner,?Uli Auster,?Ingo Richter, and?Beatriz Sanchez-Cano, Interplanetary Rotation of 2021 December 4 Coronal Mass Ejection on Its Journey to Mars, 2024,?Astrophys. J., 976 183.https://doi.org/10.3847/1538-4357/ad8a5a

（供稿：天氣室）