近日，我院陈何超副教授和夏莼教授团队在国际天文主流学术期刊《The Astrophysical Journal》上发表了题为“Witnessing Magnetic Reconnection in Tangled Superpenumbral Fibrils around a Sunspot”的学术论文。研究首次发现黑子磁场发生编织进而引发纳耀斑活动的新现象，定量刻画了磁编织结构内部重联的热、磁、动力学特性，为日冕加热与磁重联理论研究提供了重要的观测约束。
●日冕加热的问题
为什么日冕的亮度仅为太阳表面的百万分之一，但其温度却比太阳表面高出1百万摄氏度？这一看似“反直觉”的现象被称为日冕加热问题，早在1869年便被太阳物理学家发现了，但至今尚无确切答案。在太阳以外，天文观测还发现许多晚型恒星同样存在 “星冕反常高温” 的现象。因此，日（星）冕加热问题成为了天文学中悬而未决的重要问题之一。
图1.（A）日全食期间的日冕红线图像，拍摄于2017年8月21日 (Chen, Tian, Su et al. 2018, ApJ)；（B）日冕白光图像和（C）日冕Fe X/Fe XI谱线辐射(红色)、Fe XIII/Fe XIV谱线辐射(绿色)叠加图像，拍摄于2008年8月1日日全食(Habbal et al. 2010, ApJ)。
●纳耀斑理论
目前学界普遍认为，磁流体力学波的耗散与磁重联释放能量是解释日冕加热的两种最可能的机制。著名太阳物理学家帕克认为，日冕闭合磁环会因光球层的随机湍流运动发生磁场线足点的缠绕和剪切，不断积累磁场的自由能量，逐步形成磁编织结构（magnetic braids）。磁编织结构内部反平行磁场分量之间形成的众多电流片可引发精细尺度的磁重联，以不计其数的小爆发的形式释放磁自由能，加热局部日冕；这种小爆发每次释放的能量大约是1016J，约为典型耀斑能量的十亿分之一，因此被称之为纳耀斑（nanoflare）。主流理论与数值模拟研究指出：纳耀斑导致的能量释放现象具有时空尺度小、信号弱且短暂的特点。因此，早期的太阳观测设备往往难以捕捉到磁编织形成并引发纳耀斑的完整证据。
●黑子外围磁编织结构形成的新证据
近期，我院陈何超副教授、夏莼教授领衔的国际研究团队利用中国抚仙湖一米新真空太阳望远镜（NVST）、美国NASA太阳动力学观测台（SDO）和界面区成像光谱仪（IRIS）的高时空分辨率观测数据，聚焦太阳黑子周围的超本影纤维结构，首次捕捉到了黑子外围磁场形成磁编织结构的完整证据（图2）。
图2.中国一米新真空太阳望远镜（NVST）和美国SDO卫星捕捉到的黑子磁编织及其伴生重联信号。(a) 活动区NOAA12833，以及NVSTHα图像中的黑子超本影纤维。 (b) AIA171 埃波段的快照，以及HMI径向磁场图。(c) NVSTHα和TiO波段的高分辨率快照，中间三幅Hα差分图像用于突出显示色球层结构的缠绕形态及相关的双向流出特征。黄色箭头标记了色球层 / 过渡区结构的缠绕点及其相关双向流出特征。
结合日冕磁场外推与光球流场分析技术，研究团队进一步发现磁编织结构对应一个兼具扭结与缠绕特征的复杂磁通量绳，其内部存在显著的磁力线编织特征（图3），可能由光球复杂的足点运动驱动形成。通过量化磁编织结构内部磁场参量，团队发现其中反平行磁场分量占16%-22%，剩余磁场为引导场。
图3. 磁编织结构的磁场外推与拓扑分析。(a)-(b) 和 (d)-(f)：非线性无力场（NLFFF）模型结果的俯视图，背景图像各不相同。黑色线条代表背景磁场，绿色线条为 NLFFF 模型中的缠绕磁力线。 (d) 图背景为磁螺度，(e) 图背景为平均磁扭缠T (γ)，(f) 图背景为电流螺度 Hc (γ)。 (c1) 和 (c2)：展示了编织结构内四组（不同颜色）磁场线，分别为侧视图和三维视图；两图中的箭头突出标注了编织节点的位置。
●磁编织结构内部的磁重联
在磁编织结构发生解缠时，其内部反复发生着小尺度磁重联，伴生短暂的等离子体加热和双向流出的等离子体团等特征信号（图1、图4），期间释放的能量与纳耀斑相当（约1016-1017J）。若要驱动此类微弱能量释放过程，最多仅需反平行磁场中存储磁能的 6%。
辐射分析表明，这些快速流出的等离子体团为多温结构，且经历着快速的冷却，在Hα图像中留下显著的辐射信号。IRIS和AIA的观测进一步确认了该区域的磁编织结构具有反复形成的特点。在磁编织结构内部发生重联时，可以在304波段分辨出垂直磁力线喷射的纳喷流（nanojet）现象。
这项研究不仅为太阳大气中磁编织结构的形成提供了一个高清观测范例，同时也为理解磁编织解缠过程中发生的三维磁重联现象提供了宝贵的观测约束。未来5-10年，我国太阳极轨天文台（夸父二号，SPO）、2.5米大视场高分辨率太阳望远镜(WeHOST)等新一代太阳观测设备将获取更丰富的高时空分辨率的观测数据，从而推动人类对日冕加热之谜的全面理解。
北京大学田晖教授、侯振永副研究员，英国圣安德鲁斯大学Eric Priest教授，英国杜伦大学Christopher B. Prior教授和Anthony R. Yeates教授、Oliver E. K. Rice博士，中国科学院云南天文台闫晓理研究员、段雅丹青年副研究员，南京大学黄正化教授参与了此项研究。研究工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院B类先导专项、“兴滇英才”支持计划、云南省基础研究项目等的支持。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae12e9
