日冕物質(zhì)拋射（CME）包含較強的磁場和大量高能等離子體，這些等離子體和磁場從低日冕爆發(fā)并進入行星際空間。當CME到達地球或其他行星時，可引發(fā)空間天氣事件。CME的磁場是影響空間天氣的一個關鍵因素，而CME的旋轉(zhuǎn)會改變CME到達地球和其他行星的磁場形態(tài)。前人的研究發(fā)現(xiàn)CME在低日冕發(fā)生明顯的旋轉(zhuǎn)過程，但通常認為CME在行星際傳播過程不太可能發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

近日，中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室博士生馬孟暄（第一作者）、楊利平研究員（通訊作者）、沈芳研究員（共同通訊）等與中國科學技術大學地空學院申成龍教授、汪毓明教授以及深空探測實驗室遲雨田博士等人合作提出了CME的非對稱膨脹及非一致的運動會引起CME在行星際空間的旋轉(zhuǎn)，并通過模擬天問一號探測到的2021年12月4日CME事件證實該觀點。

該項研究使用實驗室自主研發(fā)的AMR-SIP-CESE太陽風磁流體力學數(shù)值模式，由全球日震觀測網(wǎng)(GONG)  提供的全日面磁圖為驅(qū)動，模擬得到太陽到火星的太陽風物理參數(shù)。之后，采用GCS模型對太陽和日光層天文臺(SOHO)/廣角日冕儀 (LASCO)和日地關系觀測臺（Stereo-A）觀測到的2021年12月4日CME事件進行擬合，得到CME的初始化參數(shù)，以驅(qū)動CME在太陽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觀測到CME在日冕的形態(tài)及位置。同時，模擬得到了CME到達水星、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（MAVEN）衛(wèi)星和天問一號衛(wèi)星的原位測量進行對比，發(fā)現(xiàn)模擬能重現(xiàn)CME及其驅(qū)動激波的到達時間、激波強度等，但模擬得到的CME磁場強度和形態(tài)與原位測量有一定差異（如圖1）。這可能是由于初始CME的磁場形態(tài)沒能完全刻畫真實CME的磁場形態(tài)。

圖1：CME行星際模擬結(jié)果與Bepi-Colombo衛(wèi)星（左圖）、MAVEN衛(wèi)星和天問一號衛(wèi)星（右圖）局地探測對比。

在以上模擬重現(xiàn)觀測的基礎上，研究人員通過分析CME從太陽到火星的傳播過程，發(fā)現(xiàn)該CME事件在日冕中發(fā)生非對稱膨脹，在行星際傳播過程中表現(xiàn)為CME的不同部位運動速度不同。模擬得到CME的三維立體結(jié)構顯示在日冕中CME的上部位于低緯低速太陽風，受閉合磁場結(jié)構及日球電流片限制，CME的上部保持在低緯區(qū)域；但CME的下部位于開放磁場，發(fā)生了明顯膨脹進入高緯高速太陽風。當CME從日冕進入到行星際空間，受拖拽力的影響，CME各部分速度接近背景太陽風速度，導致CME的上部運動慢，下部分運動快，從而CME發(fā)生旋轉(zhuǎn)（如圖2）。

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

該項研究對理解CME在日球?qū)觽鞑パ莼^程中的動力學及結(jié)構的變化提供了新的視角，相關結(jié)果發(fā)表于The?Astrophysical?Journal。本研究受到國家自然科學基金重點項目、科技部國家重點研發(fā)計劃以及中國科學院B類先導專項等項目的聯(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）