中國科學院云南天文臺

1 概況

太陽主導著日地空間環(huán)境及地球生態(tài)系統(tǒng)，是唯一可進行高分辨率觀測和研究的恒星，也是人類研究宇宙最基本物質形態(tài)（等離子體）及電磁相互作用的最佳實驗室。劇烈太陽活動是災害性空間天氣的源頭，為了更深入地認識太陽活動的機理，揭示太陽大氣中能量傳輸和釋放的精細物理過程，準確預報災害性空間天氣（國家重大戰(zhàn)略需求），本項目依托全球一流的太陽望遠鏡：撫仙湖一米新真空太陽望遠鏡（NVST），對太陽活動進行了長達十年的高分辨率觀測和深入研究，獲得了以下突破性科學發(fā)現(xiàn)：一是首次觀測到太陽大氣中的小尺度磁重聯(lián)以及磁重聯(lián)釋放磁扭纏的過程；二是首次發(fā)現(xiàn)小尺度太陽活動觸發(fā)大尺度太陽爆發(fā)；三是發(fā)現(xiàn)了太陽大氣中多種新的活動現(xiàn)象。

項目研究發(fā)表核心論文20篇，18篇發(fā)表在國際權威學術期刊，2篇發(fā)表在國內SCI天文學術期刊，其中，8篇代表性論文影響因子累計64，SCI他引353次，單篇最高引用110次，1篇入選Nature Communications亮點，2篇獲英國皇家物理學會頒發(fā)的高被引用論文獎（2017-2019年全球天文引用top 1%）。核心論文影響因子累計136，SCI他引545次，多項研究被寫入Springer出版的《New Millennium Solar Physics》、《Physics of Magnetic Flux Tubes》、《Magnetohydrodynamic Modeling of the Solar Corona and Heliosphere》等學術專著中。研究成果獲2016年全國“十大天文科技進展”。項目執(zhí)行期間多人入選云南省及中科院人才計劃。經(jīng)第三方科技成果評價，專家組一致認為“該項目基于國內自主研制的觀測設備在太陽精細結構方面取得了重大科學發(fā)現(xiàn)，研究成果總體達到了國內領先、國際一流水平，特別是在小尺度磁重聯(lián)的高分辨觀測與研究方面達到了國際領先水平”。

圖1 a,b中紅色和白色箭頭分別代表暗條纖維和色球纖維，它們之間發(fā)生磁重聯(lián)形成電流片如圖c-f所示。M數(shù)值模擬重現(xiàn)了暗條爆發(fā)過程中磁重聯(lián)的產生如圖g-i所示。

2 重要科學發(fā)現(xiàn)

1）利用云南天文臺一米新真空太陽望遠鏡的高時空分辨率數(shù)據(jù)，首次觀測到太陽大氣中的磁環(huán)-磁環(huán)之間的小尺度磁重聯(lián)以及暗條和色球纖維之間的磁重聯(lián)釋放暗條磁扭纏的過程（圖一所示），觀測到與理論模型完全符合的磁重聯(lián)事件，提供了完整的磁重聯(lián)觀測證據(jù)。并通過非線性無力場外推和磁流體力學數(shù)值模擬，驗證了這一重大發(fā)現(xiàn)，研究結果揭示了一種新的能量傳輸和釋放方式。相關論文發(fā)表在國際權威學術期刊Nature Communications《自然-通訊》，The Astrophysical Journal Letters《天體物理學快報》(美國)和Research in Astronomy and Astrophysics《天文和天體物理學研究》(中國)上。研究成果發(fā)表后引起國內外同行的廣泛關注，成果在中國科學院首頁，國家自然科學基金委網(wǎng)站，國家航天局網(wǎng)站，中國科學報及幾十家媒體進行了報道。該論文被《自然-通訊》遴選為等離子體物理方面的亮點文章。

2）首次發(fā)現(xiàn)小尺度太陽活動觸發(fā)大尺度太陽爆發(fā)。通過對NVST高分辨率觀測數(shù)據(jù)的深入挖掘，發(fā)現(xiàn)微小黑子的旋轉導致了在同一位置先后形成兩個具有扭纏磁結構了活動區(qū)暗條，并觸發(fā)大級別太陽耀斑，觀測結果非常清晰地揭示了太陽爆發(fā)活動形成的詳細物理過程，而旋轉太陽黑子是磁流繩形成的關鍵原因，也是磁能積累的驅動源（圖二所示）；利用NVST與美國GST望遠鏡的聯(lián)合觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)新浮小尺度磁流繩的浮現(xiàn)和爆發(fā)產生了大級別太陽耀斑和日冕物質拋射，非線性無力場外推和三維磁流體力學數(shù)值模擬也重現(xiàn)了這一物理過程，這也是首次定性觀測和定量研究完整的小尺度磁繩浮現(xiàn)過程。這一系列研究結果揭示了此類太陽爆發(fā)活動的能量來源和觸發(fā)機制。多篇論文發(fā)表在國際權威學術期刊The Astrophysical Journal《天體物理學報》(美國)系列上。

圖2 一米新真空太陽望遠鏡觀測的光球像和色球的活動區(qū)暗條。e和f為TiO像，g和h為像。綠色箭頭指向微小的旋轉黑子，黃色箭頭指向微小黑子旋轉運動形成的暗條。

圖3 黑子中亮橋的結構和亮橋上面的亮墻結構。

3）發(fā)現(xiàn)了太陽大氣中多種新的活動現(xiàn)象。例如，首次觀測到扎根在太陽黑子亮橋上垂直震蕩的亮結構（圖三所示），將其命名為“亮墻”，該名稱得到國內外學術同行的公認和使用，亮墻的整體都要比周圍區(qū)域明亮，尤其是墻頂?shù)牧炼雀?，并提出壓力波引起的太陽徑向脈動激發(fā)了亮墻的振蕩，而亮墻持續(xù)的亮度增強表明存在著持續(xù)的小尺度磁重聯(lián)或者磁聲波加熱過程；首次發(fā)現(xiàn)太陽耀斑期間黑子快速的反向旋轉，該項研究可能預示著耀斑期間伴隨磁場螺度的反向輸運，并首先提出該現(xiàn)象源于耀斑導致的日冕磁螺度的急劇凝聚，從新的角度詮釋了色球耀斑擾動光球的現(xiàn)象，對現(xiàn)有理論提出了挑戰(zhàn)。多篇研究成果發(fā)表在國際權威學術期刊Nature Communications《自然-通訊》和The Astrophysical Journal《天體物理學報》上。