太阳上聚焦等离子体波的首次观测

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t/t0磁流体透镜化过程的数值模拟?=?0.185基于观察到的CH几何形状。来源：自然通讯（2024）。DOI:10.1038/s41467-024-46846-z

据美国物理学家组织网（David Appel）：科学家们首次观察到来自日冕洞聚焦的太阳耀斑的等离子体波，类似于建筑中罗腾达效应的声波聚焦，或望远镜或显微镜对光的聚焦。

这一发现发表在《自然通讯》上，可用于诊断等离子体性质，包括太阳耀斑产生的“太阳海啸”，以及研究来自其他天文系统的等离子体波聚焦。

太阳日冕是太阳大气层的最外层，由磁等离子体环和太阳耀斑组成。它主要由带电离子和电子组成，延伸到太空数百万公里，温度超过100万开尔文，在日全食期间尤为突出，被称为“火环”

日冕中的磁流体动力学波是受太阳磁场影响的带电流体中的振荡。它们在日冕中发挥着重要作用，加热日冕等离子体，加速太阳风，并产生强大的太阳耀斑，这些耀斑离开日冕进入太空。

以前曾观察到它们在日冕中经历典型的波动现象，如折射、透射和反射，但到目前为止，还没有观察到它们被聚焦。

美国国家航空航天局自2010年以来一直在观测太阳的卫星太阳动力学天文台的高分辨率观测结果，一个由中国多个机构和比利时一个机构的科学家组成的研究小组分析了2011年太阳耀斑的数据。

耀斑激发了沿太阳表面移动的大强度、几乎是周期性的扰动。作为一种磁流体动力学波，数据显示了一系列以耀斑中心为中心的弧形波前。

这个波列向太阳盘的中心传播，并以每秒约350公里的速度穿过一个位于相对于太阳赤道的低纬度的日冕空洞——一个相对较冷的等离子体区域。

日冕空洞是太阳日冕中较冷、密度较低的等离子体的临时区域；在这里，太阳的磁场延伸到日冕之外的空间。通常，延伸的磁场会循环回到日冕，到达相反磁极性的区域，但有时磁场会让太阳风以比波浪表面速度更快的速度逃逸到太空。

在这次观测中，当波前穿过日冕洞的远边缘时，原始的弧形波前变成了反弧形，曲率翻转了180度，从向外弯曲变成了向外鞍形。然后，它们会聚到一个聚焦在冠状孔远端的点，类似于穿过会聚透镜的光波，冠状孔的形状充当磁流体动力学透镜。

利用波浪、日冕和日冕空洞的特性进行的数值模拟证实了收敛是预期的结果。

该小组只能确定波列（一系列移动的波前）穿过日冕空洞后波的强度-振幅变化。

正如预期的那样，磁流体动力学波的强度（振幅）从空洞到焦点增加了两到六倍，能量通量密度从预聚焦区域到焦点附近区域增加了几乎七倍，这表明冠状空洞也像凸望远镜透镜一样聚焦能量。

焦点距离冕洞边缘约30万公里，但由于冕洞的形状不准确，焦点并不完美。因此，这种磁流体动力学透镜预计会发生在行星、恒星和银河系的形成中，就像在一些恒星周围观察到的光（多种波长）的引力透镜一样。

尽管之前已经观察到太阳磁流体动力学波现象，如日冕中的折射、透射和反射，但这是首次直接观察到这种波的透镜效应。透镜效应被认为是由于日冕温度、等离子体密度和日冕空洞边界处的太阳磁场强度以及空洞的特定形状的急剧变化（梯度）。

考虑到这些，数值模拟通过经典几何声学的方法解释了透镜效应，用于解释声波的行为，类似于光波的几何光学。

中国广东哈尔滨工业大学深圳空间风暴数值预测重点实验室的合著者丁元说：“日冕洞是一种自然结构，用于聚焦磁流体动力学波的能量，类似于科学摩擦书[和电影]《三体问题》，其中太阳被用作信号放大器。”。