地空学院田晖课题组领衔率先初步实现日冕磁场的常规测量

　　

以北京大学地球与空间科学学院田晖教授及其博士生杨子浩为主的合作研究团队在日冕磁场测量方面取得重要进展。基于“二维冕震”方法和升级版日冕多通道偏振仪（UCoMP）的观测，他们率先在国际上初步实现了日冕磁场的常规测量，揭示了日冕磁场在约8个月时间内的演化规律。这是继2020年该团队测得首幅全局性日冕磁图后的又一重要进展，相关研究成果近日发表在国际顶尖学术期刊《科学》上。

磁场是太阳物理最重要的物理量，正是太阳磁场的演化导致了黑子11年周期、百万度高温的日冕以及猛烈的太阳爆发等重要现象。正因如此，测量太阳磁场一直是太阳物理学者最重要的使命之一，也是必须完成的任务。早在1908年，美国著名太阳物理学家、The Astrophysical Journal创刊人海尔（George Ellery Hale）将刚发现不久的塞曼效应用于太阳黑子的磁场测量，从而开启了人类测量地球之外天体磁场的历程。今天，这一方法仍被人们所沿用，基于这一方法，我们已经能够对太阳表面（光球）的磁场分布及其演化进行高分辨率的日常测量。

然而，对于太阳大气最外层的日冕，其磁场一直难以测量。这主要是因为日冕磁场很弱，并且日冕的高温导致谱线轮廓很宽，使本来就不明显的谱线分裂更难被测量出来。尽管人们利用磁场模型或者基于一些偶发现象尝试研究和测量日冕磁场，但这些方法都具有各自的局限性。全球性、常态化的日冕磁场测量一直未能实现，这也限制了我们深入理解太阳的三维磁场结构及其演化过程，制约了包括日冕加热和太阳爆发机制在内的诸多重要科学问题的研究。

2020年，田晖团队基于“二维冕震”方法，通过研究日冕中普遍存在的磁流体横波，首次实现了日冕全局性磁场的测量（Science, 369, 694, 2020；Sci China Tech Sci, 63, 2357, 2020）。然而，由于分析方法、仪器性能和观测条件等的限制，当时仅有少数观测数据可被用于日冕全局性磁场的测量，平均每年只能得到一两幅全局性的日冕磁图。

最新的UCoMP日冕仪是一台能够对日轮边缘之外的日冕进行光谱成像观测的设备，观测视场范围为距日心1.05—1.6个太阳半径。利用UCoMP在Fe XIII 1074.7nm和1079.8nm谱线轮廓不同波长位置的成像数据，他们构建了这两条近红外谱线的强度轮廓，进一步得到包括谱线强度、多普勒速度在内的谱线参数的空间分布及其时间演化。多普勒速度图的时间序列清晰地展示出日冕中广泛存在的磁流体横波。与此同时，他们进一步改进了“二维冕震”方法，使其能够更准确、更高效地追踪这些日冕波动，获得波动传播的方向及速度大小，并通过Fe XIII 1074.7nm和1079.8nm谱线对的强度比值诊断出日冕密度分布。结合波动追踪和密度诊断结果，他们获得了日冕磁场强度和方向的分布。利用UCoMP日冕仪从2022年2月至10月期间的日常观测数据，他们获得了共计114幅全局性的日冕磁图，达到了大约每两天一次的测量频率，从而在国际上首次初步实现了日冕磁场的常态化测量。

图1. 2022年6月1日UCoMP测量得到的日冕磁场强度（左上）和方向（右上）图与日冕模型中的磁场强度（左下）和方向（右下）图

基于UCoMP的日冕磁场测量结果，研究团队还首次获得了日冕中不同高度上磁场强度的全球分布图及其随时间的演化，并构建了针对日冕中不同高度的、类似光球综合磁图的日冕综合磁图，实现了在若干个太阳自转周期内，对1.05—1.6个太阳半径范围内的日冕中几乎所有纬度上磁场演化的监测。结果显示，日心距1.05—1.6个太阳半径范围内的磁场强度可从小于1高斯到约20高斯。通过比较光球与日冕的磁场分布及其演化，可以发现二者之间总体上具有一致性。此外，他们也观测到强磁场结构在类似的经度反复出现，说明活动经度带在日冕磁场测量结果中也有明显体现。

图2. 在5个太阳自转周内的光球综合磁图（上）、1.10—1.15个太阳半径内（中）以及1.20—1.25个太阳半径内（下）平均的日冕综合磁图

图3. 3个不同时间的光球磁场（左）、1.10—1.15个太阳半径内平均的日冕磁场（中）和1.20—1.25个太阳半径内平均的日冕磁场（右）的全球分布

图4. 在不同日期测得的日冕磁场分布图叠加在日冕极紫外图像上

研究团队还将测量结果与先进的全球日冕磁流体力学数值模型进行了比较。结果表明，测量得到的日冕磁场大致是视线方向上辐射量加权平均的结果。测量得到的日冕磁场与模型的预测结果在中低纬度日冕中具有较高的相关性，但在高纬度和一些活动区存在不小的偏差。这些测量结果将为现有模型的完善和改进提供重要的观测约束。

这一成果进一步完善了“二维冕震”方法，初步实现了全局性日冕磁场的日常测量，填补了太阳磁场测量方面的一项空白，使得太阳大气磁场的常规测量从过去仅限于最底层的光球扩展到日心距最大约1.6个太阳半径的日冕中。日冕磁场常规测量的初步实现，将促进黑子周期、日冕加热、太阳爆发及空间天气预报、日球层磁场演化等重大课题的研究。

然而，目前这一方法仅能得到日轮边缘之外的日冕磁场在垂直于视线方向上（天空平面）的分量。未来还需要结合其他测量方法，实现对包括日面在内的整个日冕矢量磁场的完整测量，这将是太阳物理界未来至少数十年的一个重要研究目标。此外，利用“二维冕震”方法测量日冕磁场时会受到波动的复杂环境与性质的影响，如波动的反射、非线性过程及冕环的复杂结构等，这些因素可能会增大测量结果的不确定度，未来需要基于更真实的模型正演来研究其影响。

目前，国家重大科技基础设施空间环境地基综合监测网（子午工程二期）的光谱成像日冕仪刚刚建成。“二维冕震”方法有望应用到该设备的观测数据中，从而实现在东半球的日冕磁场测量。与位于西半球的UCoMP常规测量相结合，我们有望进一步提高全局性日冕磁场测量的时间分辨率，为太阳物理研究提供更丰富的太阳大气磁场数据支撑。此外，国内外多个团队正在推动建造更大口径的日冕仪，以期实现更高分辨率、更精确的日冕磁场测量。

论文的第一作者为杨子浩，通讯作者为田晖，其他合作者包括北京大学2019级本科生刘贤雨、美国国家大气研究中心Steven Tomczyk和Sarah Gibson博士、英国诺桑比亚大学Richard Morton博士、美国预测科学公司Cooper Downs博士。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及科学探索奖等的资助。

论文信息：

Yang, Z., Tian, H., Tomczyk, S., Liu, X., Gibson, S., Morton, R. J., Downs, C., Observing the evolution of the Sun’s global coronal magnetic field over 8 months, Science, 386, 76—82（2024）