■本报记者 张双虎
近日，在多项国家自然科学基金项目及科技部“973”计划资助下，山东大学空间物理课题组与美国阿拉巴马大学空间等离子体研究中心研究人员合作，首次观测到太阳附近磁岛并合的物理过程和有关的高能电子射电信号，为太阳耀斑和日冕物质抛射（CME）中磁岛并合过程可有效加速电子模型提供了观测依据。该研究相关论文已被美国《物理评论X》（Physical Review X, PRX）接受，将于近期发表。
磁场“短路”
日地空间中的高能电子可引起太阳辐射增强，如产生耀斑和射电爆发，进而影响电离层的状态和依赖这些状态的通讯导航业务。高能电子也可以击毁卫星设备或造成各类损伤，甚至可穿透宇航服，威胁宇航员身体健康。
“磁场在太阳大气乃至整个日地空间和太阳系中都扮演着举足轻重的角色。”山东大学（威海）空间科学与物理学院教授陈耀对《中国科学报》说，“对磁场重联中电子加速问题的研究既具有基本的科学意义，又具有现实应用价值。”
足够强的磁场能够控制其中等离子体的行为和分布。在太阳大气中，磁场能量常在各能量形式中占主要份额。不同能量形式之间可以互相转化，如磁能可转化为等离子体的能量。磁场重联（magnetic reconnection）就是一种可以实现这种能量转化的有效方式。它描述的是不同极性的磁力线挤靠在一起所发生的类似于电路短路的磁场“短路”或“湮灭”的现象。“湮灭”过程将快速释放出磁场能量，转为粒子的热能和动能。
这样一个过程引起了几乎所有空间物理学家的关注。大家也急于认识和了解其中细节：如重联是如何触发的，磁能的释放和转化是怎么发生的，所产生的高能粒子又是如何被加速的等等。
在国家自然科学基金海外及港澳学者合作研究基金项目、国家自然科学基金杰出青年基金项目、国家自然科学基金面上项目等资助下，山东大学空间物理课题组与美国阿拉巴马大学空间等离子体研究中心研究人员对日地空间中的高能粒子如何加速问题进行了深入研究，并在一次日冕物质抛射事件中，发现三处磁场重联，同时观测到重联磁岛的并合现象和有关的高能电子信号。该发现对理解磁场重联过程和高能电子的产生机理具有重要意义。
发现三处磁场重联
磁场重联中的电子加速机制可以分为两类，一是X型加速，一是O型加速。前者得名于电子主要是在X形重联点附近被感生电场加速的；后者指电子在O形磁岛内部，如拍打乒乓球时球被加速的过程一样，电子在重联磁岛两端被磁岛收缩反弹而加速。
最近的理论研究还发现，邻近磁岛靠拢并融合的并合过程（又称为反重联）可同时具有上述两种加速机制的特点。有科学家认为这很可能是各类重联电子加速机制中最重要和有效的。
2006年后，研究人员利用NASA 和ESA的CLUSTER等空间探测器，在地球磁层中发现了重联磁岛和与之有关的电子加速现象。这些发现受到了国际空间物理学界的重视，然而，在世界上还没有哪个研究组在空间中观测到磁岛并合过程及其关联的高能电子。
2010年5月23日爆发的一次日冕物质抛射事件为空间物理学家们提供了一次罕有的在太阳附近研究磁岛并合与电子加速的机会。
用于观测日冕物质抛射三维形态的STEREO双子卫星拍摄到了整个过程：日冕物质抛射爆发后，在下方拉扯出一条很长的电流片——射线状结构，并观测到两个非常明显的磁岛，由于二者速度不同，后面的磁岛追上前者，后融为一体向外运动。
这是非常典型的重联磁岛并合过程。那么，这个过程有没有电子加速呢？
高能电子本身固然难以被飞船直接探知，但在等离子体中运动的高能电子可以激发射电信号，从而被飞船上搭载的射电频谱仪捕捉到。
“因为这些射电信号的频率可以很好地反映等离子体的密度。”山东大学（威海）空间科学与物理学院博士宋红强对《中国科学报》说，“所以，根据这些信号我们也能对高能电子产生的高度做一些了解。反之，根据磁岛的高度和常用的太阳大气密度模型，也可以推测可能的辐射频率。”
果然，STEREO-A 在恰当的时间、合适的频段上观测到了一个快速漂移的射电信号。这种漂移正是由高能电子远离太阳的快速运动引起的。
在射电信号被捕捉到之前，该研究小组观测到磁岛上方出现裂口，从而推测可能由于磁岛并合后运动加快而与上方磁场发生了重联。
“这使得高能电子可以从闭岛之中逃逸进入开场区域。一般认为，在开放场中运动的高能电子更容易满足射电辐射的激发条件。”美国阿拉巴马大学空间等离子体研究中心教授李刚说，“在并合之前，第一个磁岛看上去发生了分裂，裂成‘花生’状结构。我们认为，这里也发生了一次重联：磁岛的拉长变形使其中部方向相反的磁场靠在一起而发生重联和分裂。这样，整个事件中至少有三处发生了磁场重联，这是非常难得的。”
迟来的惊喜
该小组使用日冕磁绳数值模型所计算出的日冕物质抛射过程和尾随电流片结构上多个磁岛的产生和并合过程，也与观测事件的总体形态和运动参数很好地吻合。而针对加速电子能量的估算表明：产生射电信号的高能电子主要是在磁岛并合过程中得到加速的。
值得一提的是，这些演示的数值模拟工作是在数据分析之前就已经获得的。当时计算程序历时数周才给出爆发过程的完整演化序列，但在得到结果时，该小组正忙于其他事务而未仔细盘点。在发现观测事件之后，该小组决定重新查阅以往的计算结果。2011年8月11日，他们惊讶地察觉，所发现的磁岛并合早已在模型之中计算出来。
“令人难以置信的是，模型计算结果的日期竟然是2008年8月11日，与我们决定重新查阅数值计算的日期恰是同一天，只不过整整迟了3年。”陈耀说。
无独有偶，作为美国物理学会（APS）新发布的学术期刊，《物理评论X》秉承了《物理评论》系列刊物的一贯宗旨，对文章的审稿过程慎之又慎。杂志编辑先后为这篇文章约请了13位审稿人。
“前11位审稿人因为种种原因未能评审，直到第12位和第13位审稿人才开始正式评审。”李刚说，“对编辑的严谨求实，精益求精的态度我们也深有体会。”
《中国科学报》 (2012-05-16 A3 基金)
