魯汶大學的等離子體天體物理學家，首次對太陽耀斑期間發(fā)生的物理過程進行了自洽模擬。研究人員使用了佛蘭芒超級計算機和一種新的物理模型組合。

太陽耀斑是太陽表面的爆炸，可以釋放出巨大的能量，相當于一萬億顆“小男孩”原子彈同時爆炸。在極端情況下，太陽耀斑可以使地球上的無線電連接和發(fā)電站癱瘓，同時太陽耀斑也是基于令人驚嘆的太空天氣現(xiàn)象。

例如，極光與太陽耀斑聯(lián)系在一起，太陽耀斑干擾太陽磁場，以至于太陽等離子體的氣泡可以從太陽大氣層中逃逸出來。多虧了衛(wèi)星和太陽望遠鏡，科學家已經(jīng)對太陽耀斑期間發(fā)生的物理過程有了相當多的了解。首先，知道太陽耀斑非常有效地將磁場中的能量轉(zhuǎn)化為熱能、光能和動能。在科學教科書中，這些過程通常被視作標準的二維太陽耀斑模型。然而，這幅插圖的細節(jié)從未得到證實，這是因為創(chuàng)建完全一致的模擬是一個巨大挑戰(zhàn)。

因為宏觀效應（我們在這里談論的是數(shù)萬公里：比地球還大）和微觀粒子物理都必須被考慮在內(nèi)。昆士蘭大學魯汶分校的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)能夠創(chuàng)建這樣的模擬，研究人員使用了佛蘭芒超級計算機的計算能力，以及一種新的物理模型組合，在宏觀模型中考慮了加速帶電粒子的微觀效應。從教科書插圖到自洽模型，研究也使得計算太陽耀斑的能量轉(zhuǎn)換效率成為可能。可以通過將耀斑下太陽磁場的強度與移動速度結(jié)合起來來計算這種效率。

完善教科書上的模型

如果能及時完成觀測，那是因為一切都發(fā)生在幾十秒到幾分鐘的時間跨度內(nèi)。研究將數(shù)值模擬的結(jié)果轉(zhuǎn)換成對太陽耀斑的虛擬觀測，從而模擬所有相關波長的望遠鏡。這使研究人員能夠?qū)藴实奶栆吣Ｐ蛷慕炭茣鍒D升級為實際模型?！皹藴侍栆吣Ｐ汀笔占颂柖嗖ㄩL觀測確定的所有物理成分：磁重聯(lián)、快速粒子加速，以及由此產(chǎn)生的各種波長輻射，特別是在軟到硬X射線通道中。

經(jīng)典模型在太陽和等離子體天體物理學的教科書中隨處可見，并指導對其他恒星、吸積盤和噴流上未解決的高能耀斑事件。到目前為止，缺乏一個完全自洽的模型來再現(xiàn)所有方面的標準情景，因為這需要大規(guī)模、多維的磁流體(MHD)等離子體描述與現(xiàn)實快速電子處理相結(jié)合。研究展示了一種新的組合，其中多維磁流體與解析快電子模型相結(jié)合，該模型經(jīng)過調(diào)整以處理時間演化、重新連接的磁場和粒子捕獲。

這使得科學家能夠研究：

（1）快速電子沉積在觸發(fā)色球?qū)诱舭l(fā)流動中的作用

（2）在色球?qū)狱c或環(huán)頂產(chǎn)生各種硬X射線源的物理機制

（3）整個耀斑環(huán)演化過程中軟X射線和硬X射線通量之間的關系

這個自洽太陽耀斑模型首次證明了觀測上硬X射線區(qū)域掃出的通量與X點處實際磁重聯(lián)率之間的關系，這在太陽耀斑情景中是一個主要的未知數(shù)，研究還證明了環(huán)頂硬X射線源可以是快速電子捕獲的結(jié)果。

博科園｜研究/來自：魯汶大學

研究發(fā)表期刊《天體物理學》

DOI: 10.3847/1538-4357/ab93db

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