太阳耀斑是我们太阳系中最猛烈的爆炸之一，但尽管它们具有巨大的能量——相当于同时引爆一千亿颗原子弹——物理学家仍然无法准确回答太阳上这些突然爆发的确切原因能够在一小时内将粒子发射到近 9300 万英里外的地球。
现在，在 6 月 8 日发表在《自然》杂志上的一项研究中，新泽西理工学院 (NJIT) 的研究人员已经确定了太阳耀斑带电粒子加速到近光速的精确位置。
通过 NJIT 的扩展欧文斯谷太阳阵列 (EOVSA) 射电望远镜在 2017 年对 X 级太阳耀斑的观测，这项新发现成为可能，揭示了一个高效的粒子加速器，位于火山喷发最亮点的尖端。太阳的外层大气，称为耀斑的“尖端区域”，爆炸的环境等离子体在此转化为高能电子。
研究人员表示，该区域的发现体积几乎是地球的两倍，可以为研究宇宙中普遍存在的粒子加速基本过程打开新的大门。
“这项研究的发现有助于解释太阳耀斑如何在几秒钟内产生如此多能量的长期谜团，”该论文的通讯作者、新泽西理工学院日地研究中心杰出的物理学研究教授 Gregory Fleishman 说. “耀斑在比经典太阳耀斑模型预期的更广阔的太阳区域释放能量。尽管其他人假设这一定会发生，但这是该关键区域的具体大小、形状和位置首次出现已经确定，并且已经测量了耀斑内能量转换为粒子加速的效率。”
这一发现是在 2020 年发表在《科学与自然天文学》上的单独研究之后进行的，其中 EOVSA 对耀斑和太阳磁场变化的详细快照——一次以数百个无线电频率拍摄——最初使 NJIT 团队在该位置上处于领先地位.
“我们最近的研究表明，耀斑尖端可能是产生这种高能电子的位置，但我们不确定，”新泽西理工学院副教授、该论文的合著者陈斌解释说。“我们最初在该地点发现了一个磁性瓶状结构，与耀斑中的其他任何地方相比，它含有大量的电子，但现在通过这项研究的新测量，我们可以更有信心地说这是耀斑的粒子加速器。''
使用 EOVSA 独特的微波成像能力，该团队能够在 2017 年 9 月 10 日沿太阳表面的磁力线重新配置触发的 X 级太阳耀斑的数百个位置测量电子的能谱。
“EOVSA 的光谱成像为我们提供了耀斑热等离子体逐秒演化的综合地图。但令我们惊讶的是，我们发现的是热等离子体图中的一个神秘洞，它开始在耀斑的尖端发展，”说Gelu Nita，新泽西理工学院研究教授和该论文的合著者。“更重要的是，随着该区域的热粒子消失，该洞随后被非热高能粒子密集填充。”
该团队的分析揭示了太阳耀斑的粒子加速器内一个非常有效的能量转换过程，来自太阳磁场的强烈能量被迅速释放并转化为该区域内的动能。
“我们想知道这种能量转换过程的效率有多高……这个区域有多少粒子会被加速超过爆炸的热能?” 研究合著者、新泽西理工学院助理研究教授余思杰补充道。“使用太阳的极紫外数据，我们证实，在低于几百万开尔文的热能下，该区域内几乎没有任何粒子，这与 EOVSA 测量结果一致，即粒子都被加速到大于 20 keV 的非热能，或近 1 亿开尔文。”
该团队现在表示，这些最新发现可以帮助科学家研究在地球上不可能发生的粒子物理学的基本问题，并为未来太空天气事件中来自太阳的这种高能粒子如何影响地球提供新的见解。
“这项研究的一个重要方面是，它将理论家的注意力引导到发生大部分能量释放和粒子加速的精确位置，并提供定量测量来指导数值模型，”NJIT 杰出教授兼主任 Dale Gary 说。 EOVSA。“然而，为了将我们的测量扩展到更广泛的耀斑区域和更弱但更频繁的耀斑事件，我们正在开发一种称为频率捷变太阳射电望远镜的下一代太阳能专用无线电阵列，它的体积将至少大 10 倍，并订购更强大的数量级。”
“我们仍然想研究驱动太阳耀斑中粒子加速的物理机制。但未来的研究必须解释我们现在对这些巨大爆炸的了解——包括尖端区域的主要能量释放和带电粒子的 100% 效率发生加速，”弗莱什曼说。“这些发现要求对我们用来研究太阳耀斑及其对地球影响的模型进行重大修改。”
这项研究得到了美国国家科学基金会的资助。
