航天器首次捕捉到引发太阳大爆发的“磁力雪崩”

这一见解源于对一次大型太阳耀斑迄今最详细的观测之一。该事件是太阳轨道飞行器（Solar Orbiter）在2024年9月30日近距离掠过太阳时记录的，相关研究于今日（1月21日）发表在《天文学与天体物理学》期刊上。

### 太阳耀斑的触发机制
太阳耀斑是太阳系中最强烈的爆炸之一。当扭曲磁场中储存的巨大能量通过“磁重联”过程突然释放时，耀斑便会发生。磁重联指方向相反的磁力线断裂后以新的结构重新连接，这种快速重排能将等离子体加热到数百万度，并将高能粒子抛离事发地，形成太阳耀斑。
最强的耀斑会引发连锁反应抵达地球，触发地磁暴，有时还会干扰无线电通信。由于这些潜在影响，科学家迫切希望弄清耀斑的形成和演化过程。多年来，太阳在几分钟内释放如此巨大能量的精确机制一直不明确。如今，太阳轨道飞行器的四台仪器协同观测，罕见地提供了耀斑从最初时刻开始演变的最完整图像。

### 罕见的太阳耀斑诞生观测
太阳轨道飞行器的极紫外成像仪（EUI）捕捉到了太阳外层大气（即日冕）异常详细的图像，能分辨仅数百公里的结构，每两秒记录一次变化。同时，另外三台仪器——SPICE、STIX和PHI则研究了太阳的不同层次，从炽热的日冕一直到可见的表面（光球层）。
这些观测共同让科学家得以追踪耀斑爆发前约40分钟的能量积累过程，这种机会因观测窗口有限和星载数据限制而难得一见。
“我们非常幸运能如此清晰地观测到这次大型耀斑的前兆事件，”该论文的第一作者、德国哥廷根马克斯·普朗克太阳系研究所的普拉迪普·奇塔（Pradeep Chitta）说，“由于观测窗口有限，且这类数据会占用航天器星载计算机大量存储空间，并非总能对耀斑进行如此详细的高时间分辨率观测。我们确实是在正确的时间出现在了正确的位置，才捕捉到了这次耀斑的细微细节。”

### 磁雪崩过程
当EUI在世界时23:06（耀斑达到峰值前约40分钟）开始观测该区域时，发现了一个由扭曲磁场和等离子体构成的暗拱形“暗条”。这个结构与一个逐渐变亮的十字形磁力线图案相连（见文章下方视频链接）。
特写视图显示，几乎每帧图像（约每两秒或更短时间）都会出现新的磁丝。每条磁丝都被磁力束缚，并逐渐扭曲，像紧紧缠绕的绳索。
随着更多磁丝形成并扭曲，该区域变得不稳定。就像雪崩不断加速一样，磁结构开始快速连续地断裂和重联。这引发了蔓延的破坏链，一次比一次强烈，表现为突然的亮度爆发。
世界时23:29，出现了一次特别强烈的增亮。不久后，暗条一侧脱离并向外射出，移动时剧烈展开。世界时23:47左右主耀斑爆发时，沿暗条长度出现了异常详细的重联亮闪。
“耀斑爆发前的这几分钟极为重要，太阳轨道飞行器为我们打开了一扇窗，直抵耀斑底部——雪崩过程开始的地方，”普拉迪普说，“令我们惊讶的是，大型耀斑是由一系列在空间和时间上迅速蔓延的小型重联事件驱动的。”

### 太阳耀斑的级联链式反应
科学家长期认为，“雪崩”可以解释太阳和其他恒星上无数小型耀斑的集体行为。但此前尚不清楚这一观点是否适用于单个大型耀斑。
新结果表明，大型耀斑不一定是一次统一的爆炸，而是可能由许多相互作用、相互叠加的小型重联事件形成强大的级联反应。

### 等离子体团雨
借助SPICE和STIX仪器的联合测量，研究团队得以以前所未有的细节研究这一系列快速重联事件如何将能量沉积到太阳大气的最上层。
高能X射线在分析中起关键作用，因为它们能揭示加速粒子释放能量的位置。由于这些粒子可能逃逸到太空，对卫星、宇航员甚至地球技术构成威胁，了解其行为对空间天气预报至关重要。
在9月30日的耀斑中，当SPICE和STIX开始观测时，紫外线和X射线辐射已在缓慢增强。随着耀斑加剧，X射线输出急剧增加，将粒子加速到光速的40%至50%，即约4.31亿至5.4亿公里/小时。数据还显示，重联过程中能量直接从磁场传递到周围的等离子体中。
“我们看到带状结构在主耀斑爆发前就快速向下穿过太阳大气，”普拉迪普说，“这些‘等离子体团雨’流是能量沉积的标志，随着耀斑发展而越来越强。即使耀斑平息后，‘雨’仍会持续一段时间。这是我们首次在日冕中以如此高的空间和时间分辨率观测到这一现象。”

### 爆发后的冷却
耀斑最强烈的阶段过去后，EUI图像显示原始的十字形磁结构开始松弛。同时，STIX和SPICE记录到等离子体冷却，粒子辐射降至正常水平。PHI观测了耀斑对太阳可见表面的影响，完整呈现了整个事件的三维视图。
“我们没想到磁雪崩过程能产生如此高能的粒子，”普拉迪普说，“这一过程还有很多有待探索的地方，但需要未来任务提供更高分辨率的X射线图像才能真正厘清。”

### 对太阳爆炸的新理解
“这是太阳轨道飞行器迄今最令人兴奋的成果之一，”欧洲航天局（ESA）太阳轨道飞行器联合项目科学家米霍·詹维尔（Miho Janvier）说，“太阳轨道飞行器的观测揭示了耀斑的核心机制，并强调了类雪崩式磁能释放机制的关键作用。一个有趣的问题是，这种机制是否存在于所有耀斑中，以及其他耀星上。”
“这些令人兴奋的观测以难以置信的细节几乎实时捕捉到了一系列小事件如何级联成巨大的能量爆发，”该论文的合著者、澳大利亚纽卡斯尔大学的大卫·庞廷（David Pontin）说。
他补充道：“通过将EUI观测与磁场观测对比，我们得以厘清引发耀斑的事件链。我们的观测对现有的耀斑能量释放理论提出了挑战，结合进一步观测，将有助于完善这些理论，加深我们的理解。”

### 关于太阳轨道飞行器任务
太阳轨道飞行器是欧洲航天局与美国国家航空航天局（NASA）的联合任务，由欧洲航天局运营。极紫外成像仪（EUI）由比利时皇家天文台（ROB）牵头；偏振和日震成像仪（PHI）由德国马克斯·普朗克太阳系研究所（MPS）牵头；日冕环境光谱成像仪（SPICE）是欧洲牵头的仪器，由法国巴黎空间天体物理研究所（IAS）管理；STIX X射线光谱仪和望远镜由瑞士温迪施西北应用科技大学（FHNW）牵头。