太陽光球層內存在一個小尺度磁冠結構的拼接層嗎？

　　近日，由中國科學院云南天文臺李焱研究員帶領的研究團隊，提出了一種通過分析p模式震蕩頻率來探測太陽大氣層中小尺度磁場分布的新方法，并且發現太陽光球層中存在一個以前尚未被認識到的小尺度磁冠拼接層。該研究成果 “Can small-scale magnetic fields be the major cause for the near-surface effect of the solar p-mode frequencies?” 于8月1日在國際權威期刊《天體物理雜志》 （The Astrophysical Journal）上在線發表。

　　1962年，萊頓等人發現太陽表面存在一種周期在5分鐘附近的震蕩現象，隨后的觀測與研究表明，這是一種類似于聲波的駐波，并將其稱為太陽p模式震蕩。通過對這種駐聲波的長時間跨度和高時間和空間分辨率的空間與地面觀測，已經證認出上百萬個振動模式，并且獲得了其高精度的頻率。這些數據為了解太陽內部發生的物理過程和反演太陽內部結構提供了難得的機遇，并且推動了一個新興學科——日震學的蓬勃發展。

　　以往對太陽p模式震蕩的眾多研究結果表明，根據標準太陽模型計算得到的諸個振動模式的頻率系統性地偏離觀測到的對應振動模式的頻率，最大可達到20μHz。由于太陽表面附近的物理結構對高頻振動模式的影響大于對低頻振動模式的影響，因此這一系統性偏離被稱為近表面效應。最近的一些研究結果認為湍對流對太陽光球區物理結構的影響是造成這種近表面效應的原因，并且在近似考慮湍對流效應的基礎上可以將最大偏差減小到3μHz左右。

　　太陽光球寧靜區的小尺度磁場是太陽磁場的一個重要組成部分。由于其尺度很小，在通常的太陽表面磁圖上看不到它們的蹤影，因而被稱為“隱匿的磁場”。搭載在Hinode衛星上的SOT觀測表明，其水平分量的大小為55高斯，垂直分量的大小為11高斯。磁流體力學三維數值模擬研究表明，對流運動會將原先均勻分布的磁場上推到距離光球層底部400~500千米的高處，形成水平分量并呈現出層狀分布。由此形成的磁場位型被稱為“小尺度磁冠”結構。小尺度磁場在太陽表面幾乎無所不在，其蘊藏著巨大的磁能，可以與外層大氣產生耦合，并且為日冕物質加熱提供充足的能量儲備。

　　小尺度磁場與駐聲波可以存在兩個方面的相互作用。首先，這種極性混雜的磁場可以產生磁壓，通過影響當地的流體靜力學平衡狀態從而改變太陽大氣層中的氣體壓強和聲速分布，進而影響到駐聲波的傳播；其次，磁場同樣可以扮演振動回復力的角色，進而導致振動從純聲波逐漸向磁聲波轉變，并發生反射與折射現象。

　　在本項工作中，研究團隊通過在太陽大氣模型中引入磁場和磁壓，通過調整磁場出現的位置和磁壓的大小來考察駐聲波在太陽大氣層中的傳播。研究發現，三維數值模擬所揭示的那種小尺度磁冠結構在太陽大氣層中的分布不能是隨機的，而必須是在水平方向上相互拼接在一起形成一個小尺度磁冠拼接層。于是，跨越這個小尺度磁冠拼接層時,磁場強度會增加，導致磁壓的迅速上升和與之相伴隨的氣壓的快速下降。駐聲波從太陽內部傳播到此處將發生全反射現象，從而等效于增大了聲波的傳播區域。

　　研究團隊比較了由此給出的p模式振動理論頻率與觀測得到的對應模式的頻率，發現其最大偏差僅為0.5μHz左右，大大優于目前其他模型給出的結果。由此推斷得出的磁場強度為90高斯左右，與觀測得出的結果相符。同時，由此推斷出的小尺度磁冠拼接層的高度是距離光球層底部約630千米，與三維數值模擬給出的小尺度磁冠結構的高度大致相符。

　　小尺度磁冠拼接層的發現，不但朝著最終解決太陽p模式震蕩長期存在的表面效應問題的方向推進了一大步，而且為深入了解太陽光球層物理結構與磁場的起源提供了重要的線索。

　　本項研究工作得到國家自然科學基金的資助。