科学家揭示失败太阳爆发的新机制

　　太阳爆发（也称太阳风暴），是空间灾害性天气的扰动源，对航空航天、通讯导航等高科技活动带来潜在的影响。太阳爆发分为两种，一种是成功的爆发，即同时引发了太阳耀斑和日冕物质抛射。另一种是失败的爆发，即仅发生太阳耀斑，但没有日冕物质抛射。两者对空间天气的影响是不同的。为何有时候太阳爆发是失败的？这个问题仍处于争议中。
　　太阳爆发的能量来源于磁场，而爆发源区的核心磁场结构是磁绳，即磁力线相互缠绕的一种结构。磁绳在特定的条件下是不稳定的，可以触发太阳爆发。以往的研究认为有两种力可以阻止磁绳的爆发，一是垂直于磁绳轴的背景磁场提供的束缚力，二是平行于磁绳轴的磁场提供的磁张力。但是，这样的理论模型不能解释某些失败的爆发事件。
　　南京大学太阳物理课题组长期以来开展太阳爆发的观测和数值模拟的研究，近来开发了数据驱动的三维磁流体力学模拟方法，即使用随时间演化的、与观测匹配的底边界（包括光球矢量磁场和速度场），模拟太阳大气的实时演化，重构与观测相符的太阳爆发事件。运用这个方法，课题组成功模拟了2015年1月30日的一次失败的爆发，即只有太阳耀斑，而没有日冕物质抛射 (图1）。
　　图1：2015年1月30日失败的太阳爆发。左边为171埃全日面图像，右边从上到下为磁绳结构、光球磁场和1600埃太阳耀斑图像。
　　基于模拟结果，课题组发现了一个新的洛伦兹力可以阻止磁绳的爆发，它起源于磁场的径向分量，即磁绳的非轴对称性（图2）。以往的模型从来没有考虑这个分量。由于实际的磁绳或多或少是非轴对称的，而缺失这个力很可能是导致以往的理论模型在某些情况下与实际观测不符合的原因。
　　在该事件中，背景磁场提供的束缚力甚至会改变方向，在爆发初期是向下的，在后期则变成向上的，因此无法阻止磁绳爆发。正是存在一个明显的非轴对称性产生的洛伦兹力，才使此次爆发最后被阻止了。因此必须考虑磁绳的形态以及动态变化，才能准确解释它的爆发特性。
　　图2：作用在磁绳上的各个洛伦兹力的分量。（a）磁场垂直分量产生的力；（b）磁场平行分量产生的力；（c）磁场径向分量（非轴对称性）产生的力。
　　该项成果以＂The role of non-axisymmetry of magnetic flux rope in constraining solar eruptions＂为题在Nature Communications上发表。博士生钟泽为第一作者，郭洋副教授和丁明德教授为通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金的资助。
　　论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-021-23037-8