北京大学地球与空间科学学院何建森课题组与合作者利用航天器抵近太阳“先看后探”揭示多尺度磁重联与年轻太阳风形成

北京大学地球与空间科学学院何建森教授课题组联合国内外合作者，利用“帕克太阳探针”抵近太阳的直接探测数据，首次在观测上建立起连接日冕源区与原位测量的完整证据链，揭示了多尺度磁重联在年轻慢速太阳风形成与演化中的关键作用。相关成果近日发表于The Astrophysical Journal Supplement Series。

论文截图

太阳风持续不断地将太阳物质和磁场输运至整个日球空间，对行星空间环境和空间天气具有重要影响。其中，慢速太阳风相比高速太阳风密度更高、结构更复杂，其起源和加热加速机制长期以来仍缺乏统一认识。传统观测手段面临明显局限：遥感观测能够看到日冕结构，却无法直接测量磁场和粒子动力学；原位探测虽然能够精细刻画局地等离子体状态，却难以追溯其日冕来源。这一“看得见却摸不着、摸得着却找不到源头”的问题，制约了对慢速太阳风形成机制的深入理解。

依托帕克太阳探针多次掠日飞行所提供的独特观测条件，研究团队提出并应用了一种“先看后探（See and Touch）”的联合分析框架（图1），将遥感白光成像与原位等离子体、磁场测量在时空上直接对应。在探测器近日点附近，团队首先利用宽视场白光日冕成像仪观测到沿盔状冕流向外传播的明亮等离子体团，并通过引入移动视角下的光流分析方法，重建了这些等离子体团的三维传播轨迹，确定其起源位置、空间尺度和传播速度。在此基础上，研究人员进一步预测探测器与这些结构发生空间交汇的时间，并在相应时段的原位数据中识别到一系列高速、高密度射流结构。

图1 研究团队建立的“先看后探” 的技术流程

通过精确的时空匹配分析，研究首次在观测上实现了遥感所见的冕流等离子体团与原位探测到的高密度射流之间的一一对应，表明二者是同一物理过程在不同观测手段下的表现形式。原位测量结果显示，这些高密度射流具有典型的磁重联喷流特征，包括等离子体密度和径向速度显著增强、磁场强度下降以及等离子体β值升高等，同时其边界常被成对、方向相反的电流片所包围，指示其与日球层电流片内的磁重联活动密切相关。

进一步的粒子速度分布分析表明，磁重联过程不仅改变磁场拓扑结构，也在粒子动力学层面对慢速太阳风进行直接“加工”。在背景慢速太阳风中，质子速度分布通常呈现非平衡的多组分结构；而在高密度射流内部，质子核心组分被显著加热并加速，与原有高速组分发生混合，形成更接近平衡态的分布。这一结果为磁重联在慢速太阳风加热与加速中的作用提供了直接观测证据。

研究还发现，高密度射流内部及其边界区域普遍存在小尺度磁流绳、次级喷流和多重电流片，显示出持续发生的多尺度磁重联过程。结合上述结果，研究团队提出了年轻慢速太阳风形成的统一物理图景：盔状冕流顶部发生初级磁重联，释放大尺度等离子体团；在团块内部及其边界触发嵌套式、多尺度磁重联，磁能通过级联过程高效转化为粒子加热和整体加速，最终塑造出具有复杂结构和动力学特征的年轻慢速太阳风。

该研究在方法和物理认识上均具有重要意义。“先看后探”框架为连接遥感与原位观测提供了一种可推广的新范式，而多尺度磁重联驱动慢速太阳风形成的直接观测证据，则为理解空间天气源头及其在行星际空间中的传播演化奠定了重要基础。相关方法有望在帕克太阳探针后续任务及未来抵近太阳探测计划中得到进一步应用。

图2 通过“先看后探”揭示的年轻慢速太阳风形成的物理图景，即盔状冕流顶部多发多尺度重联释放加热加速等离子体团/高密度射流

何建森为该论文的通讯作者，北京大学地球与空间科学学院2022级博士研究生吴子祺是本论文的第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中国国家航天局的资助。