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科学网错位的频谱:太阳射电爆发的奥秘正文

类别:卡通头像 | 点击: | 日期:2019-09-01

太阳射电爆发是来自太阳的瞬时增强的无线电波信号,频率从米波(~百兆赫兹)至千米波(~K赫兹),强度可以在短时间内增至背景辐射强度的几千至上万倍。这些高强度信号可以进入我们的无线电通讯系统,严重干扰我们的通讯。据悉,人类首次发现太阳射电爆发是在第二次世界大战期间(1942年)。英军雷达受到了强烈干扰,没有探测到从法国穿越英吉利海峡到达德国的两艘德军军舰。当时,英军猜测可能是受到了德军先进设备的干扰,于是请雷达专家Hey调查。十天之后,强烈的干扰再次出现,但德军似乎没有什么大的军事行动。Hey发现雷达指向太阳天区时,便会有干扰发生;而且当时,英国格林尼治天文台观测到一个大的太阳黑子群。这说明干扰信号很可能来自太阳。正是这样,人们无意间发现了太阳射电信号。这一过程明示了太阳射电研究对于人类活动的重要性。战后,便有些军方雷达被转送给天文学家研究太阳射电爆发,特别是在澳大利亚的天文学家们便做出了最早期太阳射电方面的一些重要发现。

   太阳射电常用动态频谱仪观测,给出的数据是射电强度随频率和时间的变化图谱,常称为动态频谱。根据动态频谱上的射电信号变化,太阳射电暴可分为频率随时间急速下降的III型射电暴,频率随时间缓慢变化的窄带辐射为II型,宽频连续谱辐射IV型,依附在III型暴上频率被大大展宽的V型和持续时间很短的尖峰爆发群为I型射电暴。

   在各类太阳射电辐射之中,III型暴的物理机制目前研究得相对透彻,是由等离子体辐射产生的。这一辐射激发的前提是存在高能的束流电子。等离子体是等量离子和电子构成的系统,设想喷入一股带负电的高速电子,无疑类似于插入心脏的利剑、刺入水中的标枪,将激起等离子体的强烈反应,这就表现为电荷的来回振荡 (称为Langmuir)。这些振荡的力就是电子和离子之间相互作用的库伦电场力,作用的频率几乎完全由等离子体的数密度决定。这些Langmuir波本来是静电的,但在一个复杂的电磁-粒子相互作用体系中,这一静电波可以通过系列过程激发起磁场参与的同频或倍频的电磁波。如果这些电磁波频率高于周围环境的特征振荡频率,便可传播出来。III型暴被认为是由耀斑加速获得的近光速电子沿开放磁力线向外运动时激发的等离子体辐射。由于高能电子很快便由太阳附近运动到远处,被扰动的等离子体也同样由太阳附近急速变至远处,因而数密度故而电磁波的频率随时间迅速下降,这正是III型暴的归类依据。

   对于II型射电暴而言,许多理论和观测研究都表明,这类辐射是由被激波加速的高能电子激发的。为何频率随时间下降较慢呢?这是由于激发这些射电的高能电子大都是在激波附近加速,而且被激波有关物理过程或结构约束在激波附近。这样,电波辐射频率的下降实际上反映的是激波处等离子体密度的下降。激波老慢了,当然这是与近光速电子相比而言 (激波其实不慢,速度可达1000 km/s,即一秒钟可以从威海到北京往返,关键看跟谁比)。所以,II型暴看起来有些慢吞吞的。

科学网错位的频谱:太阳射电爆发的奥秘

左图为不同类型的太阳射电爆发的卡通图示;右面两图为非常典型的两例太阳射电爆发,含有III型和II型暴,其中II型暴均展现出基谐频辐射,中图为没有分裂的"正常"II型暴,右图为含有分裂特征的II型暴。

    细心的读者会问:激波是怎么加速电子的?高能电子为什么能被约束在激波附近、或为什么只在激波附近辐射?这都是很好的问题。但很遗憾,目前还是没有得到解决的太阳空间物理学的难题 (向好的方面看,就是幸亏都还没有解决,否则就用不着我们这些年轻人做这个方向的科研了)。当然,我们了解,要想加速电子,必须要有电场。激波加速电子,自然也是靠电场实现的。只是电场的表现形式为何,影响这个加速过程的主要物理因素等等还无法完全了解。

    上图给出的一例非常典型的太阳射电爆发中的II型暴展示了基谐频结构和“著名”的频带分裂特征。我们这里关注的就是这个“著名”的闹分裂的东东 (显然是由于闹分裂才出的名)。在大约20%II型暴中,能观测到分裂现象。本来拧成一股的辐射,轻巧地裂成两拨,而且形态那么相似,就像双胞胎一样,挑战着人类对自然界的理解能力。确实,一开始,有人认为这种分裂是由于激波与不同日冕结构作用引起的,由于结构密度不同,因而辐射频率不同。这很快被认为是错的,因为,这不可能产生“双胞胎”式的相似辐射。于是,人们提出可能是激波的上游和下游分别产生的辐射造成的。上下游密度有跳变,因而辐射频率也有跳变。这是一个非常吸引人的简单理论。然而,至今似乎也还没有在激波的下游观测到增强的Langmuir波振荡(见上文,这是出现射电辐射的一个前提)。高能电子到下游后,由于增强的湍动散射和加热效应,变得有些热化、而显得不那么高能,因此理论上也没有得到支持上下游辐射产生频带分裂的结果。

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