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中国科学院紫金山天文台——M级太阳耀斑中40秒准周期振荡现象的研究 | MDPI Universe

已有 712 次阅读 2023-9-12 11:59 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

原文出自Universe 期刊:

Xu, J.; Ning, Z.; Li, D.; Shi, F. Quasi-Periodic Pulsations in an M-Class Solar Flare. Universe 20239, 215.https://doi.org/10.3390/universe9050215


第一作者兼通讯作者

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徐俊 

中国科学技术大学天文与空间科学学院

2021年至今研究生就读于中国科学技术大学天文与空间科学学院 (紫金山天文台)。专业方向为太阳物理中的多波段观测,主要从事太阳耀斑和冕环中的振荡现象的研究。

引言

在太阳耀斑爆发的过程中,大量的电子在短时间内被加速到非热状态。这些非热电子在太阳大气中经历了注入、沉积、捕获和能量耗散等动态过程,并产生了一系列爆发现象。准周期振荡 (QPPs) 是太阳耀斑过程中的一种常见现象。近年来,研究发现了在无线电、软 X 射线和 EUV、Lyα 甚至 γ 射线的广泛波长范围内存在 QPP 的证据。此外,在光谱观测中也检测到了耀斑 QPP。根据大量的观测结果,QPPs 的周期通常可以分为亚秒、秒和分钟波段。具有不同周期的 QPPs 可能具有不同的物理机制。来自中国科学院紫金山天文台的徐俊研究生及其团队在 Universe 期刊发表了文章,介绍了2014年9月23日发生在活动区 NOAA 12172的一次 M2.3级耀斑的准周期振荡现象,该项研究对于发掘 QPPs 背后的物理机制具有重要意义。

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图1. SDO/AIA 九个波段的耀斑图像,对应的时刻为耀斑的脉冲相。AIA 211 Å 图像 (e) 中的白框代表整个耀斑区域。AIA 1700 Å 图像 (i) 中的两个黑色方框是耀斑带 R1 和 R2。AIA 335 Å 和 AIA 1600 Å 图像中的红色箭头表示垂直于耀斑带的切片。

研究内容

作者在文中利用 GOES、NoRP、RHESSI 和 SDO/AIA 的数据研究了 M2.3级太阳耀斑中的准周期振荡。图2左显示了该事件的 GOES 软 X 射线的光变曲线。与典型的耀斑事件相似,它表现为脉冲阶段和长衰减阶段。由于 QPPs 的振幅较小,在1-8 Å 和0.5-4 Å 的原始光变曲线上很难看到它的振荡行为。因此,我们采用傅里叶变换 (FFT) 方法将原始光变曲线分解为慢变分量和快变分量。在此过程中,我们以100 s (0.01 Hz) 为阈值,将光变曲线的功率谱分为低频段和高频段,然后对功率谱的两部分进行快速傅里叶反变换,得到慢变 (背景) 分量和快变 (准周期峰) 分量。在快变分量图中我们可以看到 QPPs 的振荡行为,在1-8 Å 和0.5-4 Å 之间,QPPs 几乎在同一相位振荡,相关系数为0.75。与傅里叶变换相比,小波变换是一种时间 (空间) 和频率的局部分析。它通过放大、平移操作,在多个尺度上逐步细化信号 (函数),最终实现高频的时间细分和低频的频率细分。它可以自动适应时频信号分析的要求,从而关注信号的任何细节,解决傅里叶变换的难题。从底部图中1-8 Å 波段快速变化分量的小波谱和全局小波谱来看,周期约为40 s,显著性水平大于95%。QPPs 的最大振幅出现在约23:09 UT,对应于耀斑的脉冲阶段。对射电各波段的光变曲线也采用同样的处理方式,同样观察到了40 s左右的振荡现象。这次耀斑的观测结果表明,QPPs 可以在多个波段中观测到。在 SXR、无线电和硬 X 射线波段观察到周期为40s的 QPPs。

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图2. 左图:2014年9月23日耀斑的 GOES 0.5–4 Å和1–8 Å的光线曲线及其缓慢变化的分量 (黑色,乘以0.7)。右图:射电在1 GHz (红色)、2 GHz (棕色)、4 GHz (蓝色) 和9 GHz (紫色) 的光变曲线,2 GHz和4 GHz (黑色,乘以0.9) 的缓慢变化分量。

通过对耀斑区域的整体积分可以获得类似的光变曲线。在 AIA 的不同波段中也观测到了周期为40 s 的 QPPs。这意味着 QPPs 同时存在于热和非热过程中。结合耀斑带局部积分的光变曲线以及垂直于耀斑带的切片图,我们发现 QPPs 发生在耀斑带分离过程中,分析结果表明 QPPs 发生于耀斑带上。至于 QPPs 的机制,观察结果倾向于支持磁重新连接产生周期性非热电子的可能性。

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图3. 耀斑带 R1 和 R2 在335 Å 波段下的光变曲线。以及切片 S1 在335 Å 和1600 Å 的时距图。

研究总结

本文介绍了对2014年9月23日的 M2.3级耀斑中准周期振荡的多波段研究,详细探讨了不同波段下太阳耀斑中振荡行为的差异及其背后的物理机制。研究结果表明在多波段下均观测到了40 s左右的 QPPs;同时也表明在热和非热辐射中均存在类似的振荡行为;结果表明振荡的发生与耀斑带分离运动同步,且振荡发生在耀斑带上;本文的研究结果支持 QPPs 来源于非热电子的周期性磁重联过程。期待未来有更高分辨率的成像仪器。

Universe 期刊介绍

主编:Lorenzo Iorio, Royal Astronomical Society (F.R.A.S.), Italy

期刊发表范围涵盖宇宙学、引力、场论、量子力学基础、核物理与粒子物理、天体物理与天文学以及空间科学等研究领域。自 2015 年创刊以来,被 SCIE、Scopus、ADS 等多个权威数据库收录。

2022 Impact Factor:2.9

2022 CiteScore:3.6

Time to First Decision:17.6 Days

Acceptance to Publication:2.8 Days

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