文章导读
太阳风如何被加速至每秒数百千米，一直是困扰天体物理学界的核心谜题。传统理论认为，沿着太阳极区磁力线传播的高频磁流体波是输送能量的关键，却因观测精度不足而长期缺乏直接证据。北京大学田晖教授团队利用Solar Orbiter飞船的高分辨率数据，首次在太阳极区日冕中发现了规模庞大的高频磁流体波群体，其能量贡献远超此前预估，甚至达到低频波的两倍以上。这一发现不仅为太阳风加速机制提供了关键观测依据，也为我国即将发射的太阳极轨天文台“夸父二号”锁定了核心科学目标——从太阳极区上空，我们能否最终揭开驱动太阳风的能量源头之谜？
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太阳风为何能够被加速至每秒数百千米，这是国际太阳和日球层物理研究长期关注的重要科学问题。其中，沿着太阳极区开放磁力线传播的高频磁流体（MHD）波被认为能够向日冕输运并耗散大量能量，是解释极区日冕加热和太阳风加速的重要候选机制。然而，由于观测能力限制，日冕中这类高频波一直缺乏直接观测证据。
近日，北京大学地球与空间科学学院田晖教授团队在太阳极区日冕中发现了一个携带大量能量的高频磁流体波群体，为理解太阳风起源和加速提供了新的观测依据。相关成果以“High-frequency magnetohydrodynamic waves with substantial energy in the solar polar corona”为题，发表于《国家科学评论》（National Science Review）。
图1. EUI对太阳北极冕洞的观测及波动识别过程。研究区域内的冕羽呈现大量横向摆动的细丝结构，时距图（e1，e2）中的红色振荡轨迹由自动程序识别
研究团队利用旗舰型太阳观测飞船Solar Orbiter搭载的极紫外成像仪（EUI）高时间、高空间分辨率观测数据，对太阳极区冕洞中的冕羽（plume）进行了系统分析，共自动识别出2300余个磁流体横波事件，是目前该类研究中规模最大的统计样本之一。此样本中，超过三分之一的波动信号周期短于100秒，而过去基于其他设备的同类观测中这一比例不足10%，说明大量高频波长期“隐藏”在过去较低分辨率的观测数据中。
进一步的功率谱分析表明，这些高频波携带着可观的能量，其贡献远高于此前估计。在10—30mHz频段，高频波所携带的能量甚至超过低频波两倍以上，意味着高频磁流体波可能对太阳极区能量输运具有不可忽视的重要贡献，从而可能在高速太阳风加速过程中发挥重要作用。这些高频波可能来源于开放与闭合磁场之间的磁重联、针状体激发以及湍流串级等过程。
图2. EUI与低分辨率观测设备AIA观测得到的磁流体横波功率谱。两者在低频范围内较为接近，而EUI在10mHz以上探测到显著增强的波动功率
这一研究结果为高频阿尔芬波驱动太阳风起源的理论提供了重要支持，也为我国将要发射的太阳极轨天文台（夸父二号）提供了重要科学目标。作为我国太空探源科学卫星计划的一部分，夸父二号将首次从太阳极区上空对极区开展连续观测，这将大幅降低不同磁结构在视线方向叠加造成的影响。结合其磁场、极紫外成像等观测数据，我们有望更精确地观测极区高频波动的性质，并研究其驱动机制，从而推动我们对太阳风加速和日冕加热机制的理解。作为夸父二号这一重大深空探测任务的主要参与单位之一，北京大学团队将继续做好科学预研工作，为卫星发射后的科学数据分析夯实基础。
地球与空间科学学院高宇航博士为论文第一作者，田晖为论文通讯作者。合作者还包括地球与空间科学学院何建森教授、侯振永博士以及山东大学郭明哲教授等人。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、太空探源科学卫星计划等项目的支持。
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