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劇烈的太陽爆發(fā)會向日冕-行星際空間釋放大量高能電子，進(jìn)而擾動近地空間環(huán)境。在光學(xué)、紫外波段，高能電子在稀薄的大氣中只能產(chǎn)生非常微弱的輻射，現(xiàn)有的觀測技術(shù)根本無法看到這些信號。但是，高能電子可以在射電波段產(chǎn)生比背景輻射強(qiáng)數(shù)萬倍到數(shù)千萬倍的輻射增強(qiáng)信號，從而使追蹤太陽高能電子束的起源、加速和在行星際空間傳播成為可能，我們可以在射電波段看見太陽高能電子束！

圖1. 太陽射電頻譜圖示例-比利時ARCAS和HSRS頻譜儀在2017年9月6日觀測到與X9.3級耀斑有關(guān)的射電爆發(fā)，包括射電II，III，IV型暴以及疊加的尖峰，斑馬紋等頻譜結(jié)構(gòu)（圖源：https://wwwbis.sidc.be/humain/event_x9_20170906.php）

太陽射電暴，是指太陽在射電波段的輻射流量增強(qiáng)現(xiàn)象，通常在寬帶動態(tài)頻譜圖（頻率-時間圖）上表現(xiàn)為各種有趣的頻譜結(jié)構(gòu)（圖1），如太陽射電I、II、III、IV、V型暴、脈動結(jié)構(gòu)、斑馬紋結(jié)構(gòu)、尖峰爆發(fā)等，它們通常反映出爆發(fā)源區(qū)各異的物理環(huán)境以及輻射機(jī)制等諸多重要信息。

圖2. 國家天文臺懷柔太陽射電寬帶動態(tài)頻譜儀觀測到的太陽射電III型暴頻譜圖，此圖觀測頻段為1.1-1.34GHz（圖源：黃靜、譚寶林，2012）

在太陽射電頻譜結(jié)構(gòu)中，研究最為廣泛的便是射電 III 型暴（圖2，圖3）。其在頻譜圖上表現(xiàn)為快速頻率漂移，頻率范圍可覆蓋1 MHz-10 GHz，頻漂率 > 10% 中心頻率每秒，具有較高的輻射亮溫度和較短的壽命，常常成群出現(xiàn)，并與太陽耀斑密切相關(guān)。

圖3. 太陽-行星際射電III型暴頻譜圖，由瑞士Bleien射電頻譜儀（圖中200-900 MHz）、法國Nancy頻譜儀（圖中15-80 MHz）、日地關(guān)系天文臺搭載的無線電監(jiān)測裝置STEREO/WAVES（圖中0.1-14 MHz）觀測結(jié)果拼接而成（圖源：Reid et al. 2014）

那么，太陽射電 III 型暴與電子束有什么關(guān)聯(lián)呢？這要從它的產(chǎn)生機(jī)制說起。

通常認(rèn)為，太陽射電 III 型暴是非熱電子束以約 0.3-0.8 倍光速沿開放磁力線向外傳播時產(chǎn)生的，是高能電子束穿過日冕和行星際空間產(chǎn)生的信號，為遠(yuǎn)距離示蹤這些電子流提供了有力的工具。目前為止，大家普遍認(rèn)為射電 III 型暴主要的產(chǎn)生機(jī)制是等離子體輻射機(jī)制，高速電子束流沿磁力線向外運(yùn)動，在遠(yuǎn)離加速區(qū)處，快電子追過慢電子，在等離子體中形成“尾瘤不穩(wěn)定性”，產(chǎn)生強(qiáng)朗繆爾波，通過波-波相互作用和等離子體輻射過程轉(zhuǎn)化成可被觀測到的電磁波，形成 III 型暴。

圖4. 左圖：耀斑標(biāo)準(zhǔn)模型示意圖，右圖：太陽射電III型暴卡通圖，來自重聯(lián)區(qū)向上運(yùn)動電子束產(chǎn)生正常漂移III型暴，向下運(yùn)動電子束產(chǎn)生反常漂移III型暴（圖源：Bastian et al. 1998）

電子束沿著這些大尺度磁力線以不同的方向運(yùn)動時，在頻譜圖上會表現(xiàn)出不同的形狀。除了從高頻漂移到低頻的正常漂移III型暴（負(fù)漂移），還有從低頻漂移到高頻反常漂移結(jié)構(gòu)（正漂移）（圖4），射電輻射從高頻漂到低頻，再漂向高頻，在頻譜圖上呈現(xiàn) U 形狀即稱為U型暴，同樣相似的J 型暴（圖5）也都是 III 型暴的變種之一。

圖5. 歐洲低頻陣LOFAR觀測到的射電J型暴頻譜（上圖）成像結(jié)果（下圖）（圖源：Reid et al. 2017）

由于太陽是個“面源”，日面不同位置處的射電輻射強(qiáng)度會隨著時間變化，而單一口徑的射電望遠(yuǎn)鏡指向太陽時，得到的是整個日面的總流量變化。因此早期由于射電望遠(yuǎn)鏡技術(shù)發(fā)展的限制，對太陽射電III型暴的觀測研究主要是利用頻譜觀測中的頻漂率、偏振度，引入一些模型假設(shè)來進(jìn)行物理參數(shù)診斷。

近十幾年來，綜合孔徑和多波束射電望遠(yuǎn)鏡逐漸發(fā)展起來，并成功實(shí)現(xiàn)對太陽的全日面射電成像，使得我們能夠看見射電III型暴的空間輪廓，獲得輻射源區(qū)的位置和空間結(jié)構(gòu)信息，并且得到電子束空間演化的動力學(xué)特征。例如陳彬等人利用美國甚大陣 VLA 的射電觀測追蹤了太陽射電III型暴的空間位置（圖6），發(fā)現(xiàn)在耀斑過程中電子束離開重聯(lián)區(qū)沿著磁力線向外運(yùn)動，非常完美地描繪了高能電子束的運(yùn)動軌跡。

圖6. 美國甚大陣VLA觀測到的射電III型暴頻譜（上圖）成像結(jié)果（下圖）（圖源：陳彬、余思捷等人，2018）

太陽射電III型暴，對耀斑源區(qū)物理過程和高能電子的加速過程有著靈敏的響應(yīng)，有利于我們理解太陽爆發(fā)活動的觸發(fā)機(jī)制、爆發(fā)源區(qū)的等離子體密度、溫度、磁場強(qiáng)度和源區(qū)空間尺度以及高能電子能量分布、加速與傳播機(jī)制等物理過程。

隨著太陽寬帶頻譜成像設(shè)備的發(fā)展與完善，如中國明安圖射電頻譜日像儀MUSER、美國歐文斯谷日像儀EOVSA，以及大型射電天文設(shè)備歐洲低頻陣LOFAR、美國甚大陣VLA開展對太陽的觀測，還有建設(shè)中的中國明安圖米波-十米波日像儀，國際平方公里射電陣SKA等，都將會極大的推進(jìn)太陽射電III型暴的成像研究，有利于我們更好的理解太陽爆發(fā)過程中高能電子的動力學(xué)行為，為災(zāi)害性空間天氣事件的預(yù)報提供可靠的、來自源頭的證據(jù)！

作者簡介：陳星瑤，中國科學(xué)院國家天文臺助理研究員，主要從事太陽物理和太陽射電天文學(xué)的研究。

文稿編輯：趙宇豪