空间中心等中英科研人员发现太阳大气中新型射电暴

近日，由中国科学院国家空间科学中心（以下简称“空间中心”）、中国科学院国家天文台及英国格拉斯哥大学科研人员联合组成的国际天文学家团队发表重要研究成果，在太阳大气中发现了一种此前未知的射电辐射形式，这一发现为理解能量如何在日冕中释放与传输提供了新视角。

利用低频阵列（LOFAR）射电望远镜，研究人员探测到了"重复的尖峰状爆发对"——成对出现的射电能量短暂闪光，两脉冲之间相隔约4秒的特征时间延迟。

该研究揭示了一种诊断太阳表面上方湍流等离子体过程的新方法，为探测太阳磁场环境和粒子加速提供了有力工具。已知太阳射电暴展现出复杂的精细结构，而新发现的信号尤为独特。每个事件包含两个几乎相同、发生在同一频率的窄带射电尖峰：一个明亮、短暂的"早期"爆发，紧随其后约4秒出现一个较弱、延迟的"回波状"爆发。

图1  重复尖峰爆发对的动态频谱、流量密度及射电源区中心。

已知太阳射电暴常常展现出复杂的精细结构，但新发现的“尖峰暴对”尤为独特。每个事件由两个几乎相同、位于相同频率的窄带射电尖峰组成：一个短暂的“较早”暴（E），随后约4秒出现一个较弱、延迟的“类回波”暴 （D）,图1展示了一个尖峰爆发对，早期（E）暴和延迟的“类回波”（D）暴。E源集中于活动区负极性核心附近；而D源则被系统地位移数百角秒，分布更为弥散。

研究总分析了超过600个这样的暴对，发现它们在时间、强度和空间起源上具有一致的模式（图2）。通过将高分辨率光谱学与射电成像相结合，研究团队将这些暴追溯到太阳上一个活动区。关键突破来自于观测到每个暴对中的第二个暴起源于日冕中不同的位置——通常偏移数百角秒。这种空间偏移，加上强度减弱和频率漂移更慢，表明延迟的暴并非独立产生。相反，它很可能是第一个暴的散射回波，由射电波在日冕湍流等离子体中反射和传播而形成。

图2 重复尖峰暴对的质心分布。

为解释这一现象，团队开展了各向异性湍流日冕中射电波传播的数值模拟。结果如图3展示，对于基波发射，模拟回波延迟仅为约1秒，且直接与反射分量的源质心保持共空间，这与观测不符。而对于谐波发射，模拟产生约4秒的延迟，质心明显分离，与观测完美吻合。强各向异性（各向异性参数α ≈ 0.1）使发射沿磁场线传播，从而解释了观测到的方向性以及弥散、位移的延迟源。计算机模拟支持上述解释，表明射电波可以被各向异性湍流——即沿着太阳磁场排列的密度起伏——改变方向并延迟。这些条件可以产生具有精确观测到的时间延迟和空间偏移的回波。

图3 各向异性湍流日冕中射电波传播的数值模拟结果。

因此，如图4所示每个重复暴对实际上是一个天然的射电回波：早期分量是直接向外传播的谐波发射；延迟分量是同一发射先向下传播，在等离子体层反射后再向上散射到达观测者的回波（echo）。

图4  重复尖峰暴对的机制示意图。

该研究首次明确此类精细结构来源于谐波等离子体发射，解决了太阳射电观测中长期存在的基波/谐波判别难题。同时，所需各向异性参数α ≈ 0.1证实了日冕湍流的强各向异性特征，并通过天然回波测量了日冕密度标高（约R⊙/4至R⊙/3）。这些暴的起源高度在太阳表面上方约一个太阳半径处，远高于典型的耀斑发射区域。这意味着磁重联和电子加速——太阳活动的主要驱动因素——可能发生在日冕中先前未被充分认识的高度。这些暴很可能是在日冕小尺度重联事件加速电子时产生的，进而激发出射电信号的等离子体波。然后，这些信号通过湍流等离子体沿着多条路径传播，产生延迟的回波特征。

这一发现具有几个重要意义：

• 日冕湍流的新诊断方法：暴对的时间延迟和结构提供了一种测量等离子体密度变化和湍流的手段。

• 对磁场几何的洞察：方向性散射揭示了射电波如何沿着磁场线传播。

为长期未解之谜提供线索：同样的散射过程或许可以解释为何从地球发射的雷达信号会被太阳微弱地反射回来，为理解过去50年太阳雷达回波异常微弱提供了物理机制。

仅在两小时的观测时段内，就识别出超过一千个此类事件，表明这些重复的爆发对是一种常见但此前被忽视的现象。这些信号为研究能量在太阳外层大气中的释放、传输与转化提供了新途径。重复爆发对的发现，也为探索日冕等离子体湍流及粒子加速打开了一扇新窗口。未来的观测有望在揭示太阳日冕复杂性的研究中发挥重大潜力

论文第一作者兼通讯作者为空间中心太阳活动与空间空间天气全国重点实验室马素丽副研究员，共同通讯作者为格拉斯哥大学Eduard Kontar教授，重要合作者包括空间中心颜毅华研究员、格拉斯哥大学Daniel Clarkson博士和国家天文台陈华东副研究员。该研究工作得到了国家重点研发计划、太阳活动空间天气全国重点实验室专项基金等联合支持。

（供稿：天气室）