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恒星耀發(fā)——浩瀚星空里的磁能釋放
2021-08-18 12:00:17 來源：光明網
我們的太陽每天都發(fā)光發(fā)熱，哺育著地球上的萬物生長，可以說太陽就是地球上一切生命之源，萬物生長靠太陽[1]。
看似和藹可親的太陽，和人一樣，當內部“壓力”積累到一定程度之后，有時候也會偶爾發(fā)發(fā)脾氣，需要釋放。人類感情的宣泄，往往是由于長時間精神壓力的積累；而太陽發(fā)脾氣則是由于太陽大氣中磁場能量積累到一定程度的的結果。
這種“脾氣”，首先由兩位英國天文學家Richard Carrington[2]和Richard Hodgson[3]在1859年發(fā)生的一次巨大太陽爆發(fā)中觀測到。這兩位“同名”先生幾乎在同一時間在距離不到幾十英里的自家天文臺里，看到了太陽的光學輻射有顯著增強，見圖1，史稱“卡林頓事件（Carrington Event）”。這種增強被太陽物理學家稱為“flare”，中國內地太陽物理學界譯為“耀斑”，而中國臺灣太陽物理學者則譯為“閃焰”。
圖1. 卡林頓在自家天文臺上觀測到的太陽輻射增強(圖源:Carrington R. C., 1859, MNRAS, 20, 13)
這次太陽爆發(fā)一并產生了很多地球物理事件（在當時還不能科學的認識到兩者的物理關聯(lián)）。事件發(fā)生時，正值我國清代咸豐九年，當時疲弱的清政府正處在太平天國運動和第二次鴉片戰(zhàn)爭交織的內憂外患中無法自拔，但是即便如此，我們感謝認真負責的地方官員，使我們能從地方志中看到一些端倪。如果讀者對卡林頓事件（Carrington Event）感興趣，歡迎您關注我們后續(xù)的詳細介紹。
早期對太陽耀斑的知識主要來源于地面望遠鏡光學波段的觀測，但是隨著觀測儀器的不斷進步，現(xiàn)在人們已經用高時間分辨率，高空間分辨率，全波段高能譜分辨率，抵近的觀測設備對耀斑進行非常細致的觀測[4,5]。尤其是對耀斑最敏感的軟X射線波段，GOES衛(wèi)星在幾個太陽活動周內積累了大量的耀斑樣本，為耀斑的研究提供了方便。一個經典的太陽耀斑輪廓見圖2。
圖2. 2006年12月13日GOES衛(wèi)星觀測到的一次X級耀斑的光變輪廓(圖源：SWPC/NOAA http://www.swpc.noaa.gov)
太陽能發(fā)脾氣，那漫天璀璨的星星是否也能發(fā)脾氣呢？答案是肯定的，最早研究變星的恒星天文學家發(fā)現(xiàn)了此中玄機。在上世紀二三十年代，對高自行矮星的觀測中，發(fā)現(xiàn)一些譜線具有強烈的變化。隨后在一系列恒星的氫發(fā)射線中也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。然而直到1948年，來自威爾遜山天文臺的天文學家對其中一顆高自行雙星[6]的一次短時標快速光變進行了定量研究，才真正拉開了恒星耀發(fā)研究的序幕。
如今，這顆著名的恒星被稱作鯨魚座UV變星（UVCeti）[7], 之后的觀測揭示出其在諸多波段上也同時存在快速變化，從而逐漸認識到其與太陽耀斑存在某種關聯(lián)。因此，恒星的這種光變也被稱做“flare”，但是由于對恒星缺少成像觀測，恒星天文學家一般翻譯成“耀發(fā)”。在接下來對恒星耀發(fā)進行地面觀測的幾十年里，觀測到的樣本多是M型矮星的耀發(fā)。由于M矮星本身光度低，所以一旦發(fā)生耀發(fā)，就易于在光變輪廓中辨認出來。
隨著觀測樣本的逐漸增多，一個用來比較太陽和恒星磁場活動的研究方向——日星聯(lián)系（solar-stellar connection）也逐漸成為熱點[8]。一個很自然的想法，就是想比較一下太陽和與它長得像的恒星（類太陽恒星）在發(fā)脾氣（耀發(fā)）的方式上有什么異同。然而在地面觀測的幾十年里，類太陽恒星的耀發(fā)樣本非常少，難以進行較為有效的統(tǒng)計研究。
2009年，隨著Kepler空間望遠鏡升空，一切有了明顯改觀。Kepler望遠鏡起初設計的主要科學目標是通過對恒星光變曲線的分析，通過凌星法實現(xiàn)對系外行星的搜尋[9]。Kepler是一個時域天文學的觀測利器，對同一個天區(qū)進行連續(xù)觀測, 見圖3。科研數(shù)據(jù)產品分為long-cadence(低頻采樣數(shù)據(jù)，30分鐘一次采樣)和short-cadence(高頻采樣數(shù)據(jù)，1分鐘一次采樣)兩種。
圖3. Kepler空間望遠鏡與Kepler 觀測天區(qū)（圖源：NASA http://www.nasa.gov）
最近，國家天文臺閆巖博士、賀晗研究員等人發(fā)表在英國《皇家天文學會月刊：快報》上的一篇論文(MNRAS: Letters, 2021, 505, L79-L83)就是基于Kepler高頻采樣數(shù)據(jù)，對恒星耀發(fā)光變輪廓的精細結構進行研究，從而揭示出類太陽恒星耀發(fā)的特征時間[10]。
太陽耀斑的光變輪廓呈現(xiàn)比較明顯的先升-后降的特征，在耀斑研究者的術語里，這種兩段式特征被分為“上升相”和“下降相”。本文的通訊作者、領導此項研究的賀晗研究員解釋說：“一般來說，耀斑的上升相代表了太陽磁場能量通過磁重聯(lián)過程快速釋放的過程，而其下降相則代表了耀斑源區(qū)的逐漸冷卻過程。因而，耀斑的上升相和下降相的特征時標，對耀斑研究具有非常重要的物理意義。”通過對Kepler數(shù)據(jù)的分析，我們發(fā)現(xiàn)恒星耀發(fā)也存在明顯的先升-后降特征，如圖4所示，為我們后續(xù)進行比較研究提供了很好的樣本。
圖4. 發(fā)生在KIC 4543412恒星上一次耀發(fā)的經典光變輪廓(圖源：Yan Y. et al., 2021, MNRAS, 505, L79)
那么，如何選取樣本呢？首先，需要找出和太陽長得像的恒星來。在這個研究中，我們采用了三個恒星物理中比較成熟的參數(shù)來界定，分別是有效溫度、對數(shù)化的表面重力加速度和單星屬性。太陽的有效溫度約為5800K，對數(shù)化表面重力加速度約為4.4。我們找到了20顆與太陽長得很像的耀發(fā)恒星，并在其光變輪廓中找到了184個耀發(fā)樣本。
閆巖博士說：“通過對樣本的統(tǒng)計分析，我們得出類太陽恒星耀發(fā)的上升相和下降相的時間的中位數(shù)分別為5.9分鐘和22.6分鐘，這和太陽耀斑的結果非常相似。因此，我們可以這樣說，類太陽恒星不僅和太陽長得像，連一顰（上升相）一笑（下降相）的調調也那么像，所以，它們應該具有相同的物理機制。”恒星耀發(fā)，正是浩瀚星空發(fā)生的劇烈磁能釋放。
通過進一步研究，我們發(fā)現(xiàn)上升相和下降相的分布規(guī)律都具有明顯的尖峰-長尾特征，符合統(tǒng)計學里的對數(shù)正態(tài)分布[11]，置信水平達到0.95，如圖5所示。
圖5. 左側為耀發(fā)樣本上升相時間和下降相時間的對數(shù)正態(tài)分布圖，右側為上升相時間和下降相時間各自取對數(shù)后的正態(tài)分布圖(圖源：Yan Y. et al., 2021, MNRAS, 505, L79)
“類太陽恒星耀發(fā)上升相和下降相的分布都符合對數(shù)正態(tài)分布，這個結論會讓我們把它當做研究其它類型恒星耀發(fā)特征時間的基準，從而看看其它類型的恒星在耀發(fā)行為上是否也和類太陽恒星差不多?！辟R晗研究員評論說。
在太陽系中，太陽耀斑是空間天氣的源。就耀斑本身來說，它可以影響到地球的空間環(huán)境，增加地球上層大氣的電離度，從而影響到短波通訊或者低軌衛(wèi)星的穩(wěn)定性。而對于系外的恒星-行星系統(tǒng)來說，宿主恒星耀發(fā)產生的高能輻射也同樣會參與系外行星大氣的演化過程。
恒星耀發(fā)中產生的紫外輻射通量變化會對系統(tǒng)內的行星大氣產生作用，進而影響到系外行星的宜居性問題。因此，通過對恒星耀發(fā)特征時間的研究，有助于我們?yōu)閷淼男请H移民做好準備。
在某次關于太陽-恒星物理的學術討論會上，紫金山天文臺的熊大閏院士曾經說：“對于太陽來說，我們得到的是豐富的、細致的耀斑樣本；然而對于恒星來說，我們獲取的是各種不同類型恒星的耀發(fā)信息。”
把時光放回到160多年前，Richard Carrington在他對太陽耀斑具有奠基性意義的論文里，文末引用了源自古希臘著名哲人亞里士多德的名言：“One swallow does not make a summer (一燕不成夏).”在當時那個年代，他已經隱約估計到了太陽耀斑發(fā)現(xiàn)的重要意義。
參考文獻：
[1] 譚寶林，《太陽之美：一顆恒星的過去、現(xiàn)在和未來》，天津科學技術出版社，2019年，天津
[2] Carrington R. C., 1859, MNRAS, 20, 13
[3] Hodgson R., 1859, MNRAS, 20, 15
[4] 方成、丁明德、陳鵬飛，《太陽活動區(qū)物理》，南京大學出版社，2008年，南京
[5] 涂傳詒、宗秋剛、何建森、田暉、王玲華，《日地空間物理學（第二版）上冊：日球層物理》，科學出版社，2020年，北京
[6] Joy, A.H. & Humason, M.H., 1949, PASP, 61, 133
[7] 蘇宜，《天文學新概論（第五版）》，科學出版社，2019年，北京
[8] Brun A. S., Browning M. K., 2017, Living Rev. Sol. Phys., 14, 4
[9] Borucki W. J. et al., 2010, Science, 327, 977
[10] Yan Y. et al., 2021, MNRAS, 505, L79
[11] Weisstein, Eric W. "LogNormal Distribution." From MathWorld--A Wolfram Web Resource. https://mathworld.wolfram.com/LogNormalDistribution.html
作者：閆巖
文稿編輯：趙宇豪
[ 責編：蔡琳]
