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紫金山天文台利用帕克卫星数据的射电暴研究获得新发现

  主要由高能电子束流直接激发产生的太阳和行星际Ⅲ型射电暴是空间等离子体环境中最重要的射电爆发活动现象,不仅对于太阳和空间等离子体环境的诊断分析及其能量活动机制的研究具有重要的科学价值,对于其它宇宙天体射电爆发辐射机制的研究也具有不可替代的科学意义。一般认为,太阳Ⅲ型米波射电暴(25~300 MHz)主要由太阳爆发活动中产生的高能电子束在日冕大气中传播时激发产生,而相对更加低频的行星际Ⅲ型射电暴(0.01~10 MHz)则由在行星际空间传播的高能电子束导致。不过,太阳和行星际III型射电暴之间的相互关联及其激发机制一直是具有广泛争议的问题。例如,由Ulysses和Wind卫星在距离太阳1~4.3 AU范围内观测的行星际Ⅲ型射电暴的统计研究显示:它们的截止频率几乎都高于卫星当地的等离子体频率,而且不同于等离子体频率随卫星日心距离的增大而减小,截止频率不随卫星位置的变化而变化,并主要分布在20~300 kHz之间,这对它们的等离子体辐射机制提出了新的疑问和挑战。

  美国帕克太阳探针(PSP)卫星能够提供前所未有的抵近太阳探测资料,引起了国际太阳和空间科学领域的广泛关注和浓厚兴趣。中科院紫金山天文台“太阳和太阳系等离子体”研究团组的研究人员利用帕克卫星在前5个轨道相遇模式下(距太阳 < 0.25AU)的射电观测资料对行星际Ⅲ型射电暴进行了统计分析研究,发现了一类观测特征介于太阳和行星际III型射电暴之间的新型射电暴现象。研究结果发表在《天体物理学快报(The Astrophysical Journal Letters)》(文章链接:)。


图1. 统计的176个Ⅲ型暴事件的截止频率和PSP当地等离子体频率与PSP到太阳距离之间的分布散点图。三角形代表截止频率,圆圈代表等离子体频率,不同颜色代表不同轨道阶段。

  在这一工作中,紫金山天文台研究人员使用PSP射电频谱仪的数据,共获得了176个Ⅲ型射电暴事件的资料,并分析整理了它们的主要观测特征。图1显示了这176个事件的低频截止频率(flo)和卫星当地等离子体频率(fp)随卫星与太阳距离变化的分布。从图中可以看出:截止频率的分布基本都高于卫星当地的等离子体频率,而后者随卫星日心距离的变大而减小,这与此前远离太阳观测的行星际III型射电暴是一致的。不过,他们还发现PSP观测中的这些“行星际III型射电暴” 截止频率(主要分布在200 kHz~1.6 MHz)和起始频率(10~20 MHz)都显著高于此前Ulysses和Wind卫星观测中行星际III型射电暴相应的频率范围,同时也明显低于太阳米波III型射电暴的相应频率范围。这意味着PSP观测的Ⅲ型射电暴可能是一类介于传统的太阳和行星际III型射电暴之间的新型射电爆发现象,它们的辐射源区可能位于日冕大气到行星际太阳风的过渡区域。而PSP卫星抵近太阳的观测研究为太阳和空间等离子体III型射电暴辐射机制的研究提供了新的机会。特别是,未来采用多卫星(如PSP,Wind或Solar Orbiter)联合观测的“立体探测”研究将提供更丰富多样、完整有效的物理信息。

  这一工作的第一作者是紫金山天文台“太阳和太阳系等离子体”研究团组的博士研究生马兵,通讯作者是其指导教师陈玲副研究员。相关研究工作得到了国家自然科学基金委员会(41531071, 11873018, 11790302 and 11761131007)和江苏省自然科学基金委员会(BK20191513)的资助。研究结果发表后立刻引起国际同行的关注和兴趣,《欧洲太阳射电天文学家论坛(Community of European Solar Radio Astronomers)》网站负责人Eduard Kontar教授主动邀请文章作者在他们网站上以“太阳射电科学亮点(Solar Radio Science Highlights)”的形式,撰文介绍这一最新研究成果(网页链接:)。

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