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实验室科研人员提出解决“太阳风角动量佯谬”方法和思路

2021年02月24日 星期三 17:11:33

在太阳和恒星物理中,一个基础性的问题是恒星(包括太阳)自转如何减慢。自转减慢应由质量损失引起,即恒星风(太阳风)。Parker在1958年提出太阳风的第一个流体模型,但并没有考虑磁场的影响。单纯的质量损失无法解释自转减慢的速率。Weber & Davis于1967年提出第一个磁流体模型(WD模型),在磁场的影响下,角动量的损失率为L=ΩrA2rA为阿尔芬半径,太阳风在阿尔芬半径从亚阿尔芬速变为超阿尔芬速)。阿尔芬半径一般比太阳半径高一个量级,即在同样的质量损失率下,由于磁场施加的力矩,角动量损失可以提高两个数量级。这一简洁的数学形式、清晰的物理含义,使得WD理论迅速成为里程碑的工作。

Parker Solar Probe(PSP)卫星在2018年发射升空,试图成为人类首颗穿越太阳“阿尔芬表面”的卫星(即进入阿尔芬半径以内区域)。作为重要的科学发现,PSP观测到太阳风切向流速度达到50多km/s,远大于WD模型的结果。这意味着角动量损失率远大于预期,从WD理论出发PSP已经进入阿尔芬半径以内,然而实际的太阳风速度仍大于当地的阿尔芬速度(见图1)。这一自相矛盾的结果被称为“太阳风角动量佯谬”(或悖论)。

刘颍研究员等人提出解决问题的方法和思路,表明“太阳风角动量佯谬”并不存在。首先,研究工作给出一个不同于前人的方法,用于计算太阳风角动量和阿尔芬半径。以前用以计算太阳风角动量和阿尔芬半径的方法受观测限制,存在很多不确定性,特别是切向流速度的误差很大、以及阿尔法粒子参数难以被精确测量。新的方法成功回避了这些问题,给出相对精确的阿尔芬半径和角动量的估计、以及角动量在粒子和磁场的分配比例。通过新的方法给出的太阳风角动量结果仍可与WD理论符合,而阿尔芬半径低于PSP离日心的距离(即PSP在阿尔芬半径以外),“太阳风角动量佯谬”问题被移除(见图1)。

图1: PSP第一轨观测、以及基于新方法得到的阿尔芬半径和角动量。

研究发现,太阳风角动量和阿尔芬半径是速度的函数(见下表)。太阳风速度不同,角动量及其在粒子和磁场分配的比例也不同,而磁场携带的角动量则相对固定。阿尔芬半径对速度的依赖性表明,太阳的阿尔芬表面并不是一个球面,而是“崎岖不平”。结果也给出了对PSP穿越阿尔芬表面的预言,根据PSP轨道设计,实质的(或持久的)阿尔芬表面穿越仅发生于速度低于350 km/s的太阳风,这对以后PSP的观测、未来的探测任务规划具有指导性意义。

其次,基于Helios卫星在0.3-1 AU和近地卫星的观测,构建阿尔法离子速度,并以此来估计太阳风粒子所携带的角动量,指出阿尔法离子可有反向的切向流,从而抵消部分角动量(见图2)。PSP搭载的离子仪器包含一个法拉第杯(SPC)和静电分析器(SPAN-I)。SPC虽然直接指向太阳,但难以分辨阿尔法离子。SPAN-I位于卫星的侧翼,因挡热板阻碍仅仅观测到部分粒子速度分布函数。在第四轨PSP移动地足够快,从而把大部分的阿尔法离子速度分布核心置于SPAN-I视场中。研究工作对第四轨阿尔法离子参数的初步分析表明,阿尔法离子确实可存在大的负值切向速度,与期望基本一致。

图2: 构建的阿尔法粒子速度和角动量、以及与质子参数的比对。

基于上述结果,研究工作进一步指出:大的质子切向流可能是太阳风加速所固有的结果;太阳风加速产生相反方向的质子和阿尔法离子切向流,而角动量则保持守恒,WD理论仍然成立。这不同于Len Fisk等人提出的交换磁重联理论。根据Len Fisk交换磁重联理论,正负质子切向流可在任何地方观测到,然而PSP在所有近日点附近都无一例外的观测到持续的、正的质子切向流。

此外,研究发现太阳风在PSP(encounter)距离仍处于加速阶段,因此PSP观测到的速度不应视为最终速度。与1 AU处观测到的速度对比,PSP观测到的“慢速”太阳风在1 AU处可为快速太阳风;近期在Nature上发表的来自冕洞的“慢速”太阳风值得新的思考。通过鉴定出不同的太阳风加速结果,研究工作评估了提出的新方法的误差。

论文发表于The Astrophysical Journal Letters,第一/通讯作者为刘颍研究员。研究结果对于澄清太阳风角动量悖论、理解太阳风加速过程和阿尔芬表面特性这些基本问题,具有重要意义。

Citation:

Ying D. Liu*#, Chong Chen, Michael L. Stevens, Mingzhe Liu, Determination of Solar Wind Angular Momentum and Alfven Radius from Parker Solar Probe Observations, 2021, The Astrophysical Journal Letters, 908, L41

(https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abe38e)



 

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