太阳射电斑马纹——条纹之美与耦合之谜
中国科学院国家天文台
发布科研成果，普及天文知识08-23 14:02
自从上个世纪四十年代美国科学家Grote Reber利用自制的9.45米口径抛物面射电望远镜首次观测到很强的太阳射电信号并开启了太阳射电天文学以来，以时间为x轴、频率为y轴、并以太阳射电辐射流量表示亮温度的的太阳射电动态频谱一直是我们揭示太阳射电爆发过程中的动力学特征的重要依据。
在太阳活动事件（耀斑、暗条爆发、日冕物质抛射等）中，射电辐射也会发生显著增强。并在高时间-频率分辨率的动态频谱图上形成丰富多彩的频谱精细结构。这些精细结构通常叠加在增强的连续谱背景上，具有持续时间短、变化快、亮温高、结构复杂等特征。
图1是上世纪五十年代在米波段观测到的准平行条纹状太阳射电频谱结构，这些美丽的条纹被形象地称之为斑马纹结构(ZebraPattern)。斑马纹结构是太阳射电频谱精细结构中最复杂也最引人注目的，表现为几条至几十条准平行、近似等间距的条纹状结构，亮暗条纹之间的间隔有时会随频率而变化。
图1. 二十世纪五十年代观测到的米波斑马纹结构。（图源：Elgarӧy，O.,1959,Nature,184,887）
最初，人们主要在米波和十米波段开展太阳射电斑马纹结构的观测研究。到二十世纪末,随着中国太阳射电宽带动态频谱仪(SBRS)(昆明0.65-1.50GHz、怀柔1.10-2.06GHz、2.60-3.80GHz、5.20-7.60GHz，以及南京4.50-7.50GHz)和捷克的Ondřejov频谱仪(0.8-5.0GHz)的建成并投入观测，大量高时间-频率分辨率的斑马纹事件被陆续观测到，吸引了许多太阳射电天文学家和理论家们的高度关注。
相较于米波-十米波波段，分米-厘米波段的辐射源区更接近太阳爆发能量的初始释放区域。由于射电辐射的观测特征(强度、频率、谱形等)与辐射源区的磁场、等离子体、高能粒子的加速与传播密切相关,所以，发生在微波波段的射电频谱精细结构可以用来诊断爆发事件源区的物理性质。
图2是怀柔太阳射电宽带动态频谱仪观测到2002年4月21日的X1.5级耀斑事件中的斑马纹。如果我们将该频谱图的局部区域放大，如图3所示，将发现斑马纹的亮条纹其实是由许多准周期性的超精细脉动结构构成的，即斑马纹结构中还存在着超精细结构。
图2. 怀柔太阳射电宽带动态频谱仪(SBRS)观测到的2002年4月21日X1.5级耀斑事件中的斑马纹结构（图源：谭程明）
图3. 图2斑马纹局部放大，可见斑马纹的条纹是由许多准周期性的超精细脉动结构构成的（图源：Chen& Yan, 2007, Solar Physics, 246, 431）
那么，太阳射电斑马纹结构是如何形成的呢？由于其极高的辐射亮温度，必然与某种相干辐射过程相关联。其中，等离子体中的Langmuir波的耦合是被大家讨论得最多的一种机制。高能电子束驱动的尾瘤不稳定性在等离子体中产生强Langmuir波，Langmuir波与等离子体中的其他波模耦合，将转换为可逃离源区的基频和各次谐频发射，从而形成准平行的条纹状结构。例如，伯恩斯坦模型认为所有的斑马纹都源自环顶一个较小的致密源区中Langmuir波与伯恩斯坦波的耦合，形成的条纹间距相同。
哨声波模型提出等离子体Langmuir波可以和哨声波发生耦合，形成的条纹间距和哨声波频率相关，各条纹间的条纹间距可以不同，且哨声波可以解释同是条纹状辐射的纤维结构和斑马纹结构之间的转变。另外，还有基于等离子体中高混杂波与某一谐次的电子回旋波的共振耦合的双共振模型，该模型认为斑马纹的源区是沿磁流管分布的一个展源，各条纹产生于磁流管内的不同共振高度，条纹间距取决于磁场和等离子体密度随空间的变化特征。
图4和图5为陈彬等人利用美国欧文斯谷太阳射电阵和三面测试天线观测得到的斑马纹结构，结合多波段观测和磁场外推方法得到的活动区磁场位型以及斑马纹辐射源区的可能位置。
图4. 左图为美国欧文斯谷太阳射电阵和三面测试天线观测到的斑马纹结构，右图的等值线表示4.6-6.3GHz频段射电辐射，虚线圆圈内三条直线的交点给出了斑马纹源区位置，背景是日本日出卫星观测到的太阳像（Ca II H）(图源：Chen etal., 2011, ApJ,736,64)
图5. 将斑马纹和连续谱的辐射源区叠加在磁场外推的结果上。图中乘号和三角符号分别表示连续谱和斑马纹的源区位置。左图是俯视图，右图是侧视图。(图源：Chen et al., 2011, ApJ,736,64 )
随着太阳宽带频谱成像设备的发展与完善，如中国明安图射电频谱日像仪MUSER和美国欧文斯谷日像仪EOVSA的投入观测，以及太阳第25周活动峰年的到来，我们有望在射电波段看见斑马纹的空间轮廓，获得辐射源区的位置和空间结构信息，得到高能粒子空间演化的动力学特征以及辐射源区磁场和等离子体的信息。新数据的获得将为解开太阳射电斑马纹的形成之谜带来全新的视角，并进一步推动太阳物理和等离子体物理基本理论的发展。