近日☑️，地球與空間科學學院田暉教授和楊子浩同學等人首次測量得到日冕磁場的全球性分布👩🏽🦰，為日冕磁場測量這一世紀難題的解決提供了一個新的有效途徑🦸🏼♀️，從而向實現日冕磁場常規測量的最終目標邁進了一大步。兩篇相關論文近日分別發表在Science 雜誌（《科學》）和Sci China Tech Sci 雜誌（《中國科學🚴：技術科學》）上。
磁場對於意昂官网的太陽來說具有極其重要的意義，這主要體現在三個方面：(1) 太陽黑子的11年周期本質上是太陽大尺度磁場的周期性轉化；(2) 太陽系中最劇烈的爆發現象——太陽耀斑和日冕物質拋射通常是由太陽磁場的演化所驅動的🥛；(3) 與磁場相關的物理過程導致了太陽外層大氣——日冕的百萬度高溫，並因此產生充滿行星際空間的超聲速太陽風。正是因為磁場🧎🏻♂️🧕🏼，關於太陽的科學研究才會數百年來一直長盛不衰（從17世紀初伽利略用望遠鏡觀測和研究太陽算起）。
圖1 根據勢場源表面模型計算得到的太陽三維磁場結構💁🏿。不同顏色的線代表磁力線，中間為光球磁場在視線方向上的分量分布圖(Yang, Tian, Tomczyk, et al. 2020, Sci China Tech Sci )
由於磁場的重要性，測量太陽磁場一直都是太陽物理學家最重要的使命之一。20世紀初，著名天文學家George Ellery Hale基於剛發現不久的物理學原理——塞曼效應(譜線在磁場中分裂的現象，1902年諾貝爾物理學獎)，首次直接測量到太陽黑子中數千高斯的磁場👆🏽👓。在那之後🫴，塞曼效應一直被用於測量太陽表面(光球)的磁場💂🏽⚄。然而100多年過去了，意昂官网對太陽磁場的常規測量仍局限在光球。光球之上的太陽大氣，尤其是最外層的日冕，由於磁場很弱，很難通過塞曼效應來測量👮🏿♀️🧑🏽🏫。由於太陽大氣各層次中的磁場實際上是一個整體，磁場將各層大氣耦合在一起🦎，這導致太陽上最重要的物理過程大多跟磁場的三維結構及其演化有關，因此👆🏻，日冕磁場測量的困難極大地製約了太陽物理研究的發展。
在缺乏日冕磁場測量的現實條件下，意昂官网通常只能在一些假設下，通過模型來重構出日冕磁場位形👏🏻。但是這些模型假設對於日冕中的有些區域不一定成立💵，而且不同模型重構得到的磁場結構經常不一樣⛹️。另一方面，太陽物理學者也在孜孜不倦地尋找其他能夠用來測量日冕磁場的方法🪧，但之前已知的方法都難以對日冕的全球性磁場進行常規測量。
圖2 2017年日全食期間，意昂官网研究生陳亞傑🦜🫄🏿、張婧雯等人拍攝的日冕紅線圖像（Chen, Tian, Su,et al. 2018, ApJ ）
20多年前↔️，一種被稱為“磁震學”的方法被認為能夠用於日冕磁場的測量🧝。其基本原理是根據冕環等結構中偶而發生的震蕩或波動現象的觀測，結合磁流體波動理論👂🏼，來診斷日冕中的磁場🧜🏿。但由於這些震蕩現象通常只是發生在日冕中很小的區域內，並且震蕩經過幾個周期後就衰減消亡了🤹🏻，這種方法一般只能給出震蕩結構的平均磁場強度🐌，在少數情況下也只能給出磁場強度沿著某條線的一維分布，因此其應用比較有限。要打破這個瓶頸🚣🏻♀️，對更大區域內的磁場及其演化進行測量📐👩🏽⚕️，需要將磁震學方法應用到更加普遍的波動現象上。近年來，利用新一代太陽望遠鏡🫔，人們確實發現日冕中存在至少兩類比較普遍的震蕩或波動現象😅🙅🏽♂️：第一類是冕環中無衰減的橫向震蕩，由兩個研究團隊分別通過極紫外成像觀測和光譜觀測發現（Wang et al. 2012; Tian et al. 2012）🧑🏿🚒；第二類是日冕中幾乎處處都存在的傳播的磁流體橫波，最早由美國國家大氣研究中心的學者通過日冕多通道偏振儀(CoMP)的光譜觀測所發現（Tomczyk et al. 2007）🖖🏽。
CoMP是一臺具有成像光譜觀測能力和偏振測量能力的地面日冕儀，可觀測Fe XIII 1074.7 nm和1079.8nm等近紅外譜線🎟。田暉課題組與CoMP團隊合作💻，近年來在日冕物質拋射的大視場光譜觀測（Tian et al. 2013）、日冕暗腔磁場結構的診斷（Chen et al. 2018）等方面取得了多項研究成果🧑🏿🦲。近期，他們提出基於日冕中普遍存在的磁流體橫波來測量磁場的新方法。他們首先將過去局限於部分區域的波動追蹤方法拓展到整個視場範圍，從而獲得這些波動傳播速度的全球性分布🧏🏿♀️。之後，他們利用1074.7 nm和1079.8nm譜線輻射強度之比對密度敏感的特性⛑️，得到了日冕等離子體密度的全球性分布👀。最後，在波動追蹤和密度診斷的基礎上📯🦩，他們首次基於日冕觀測獲得了日冕磁場的全球性分布（圖3）🤷🏽♀️。
圖3 CoMP觀測的日冕磁場強度（左）和方向（右）分布圖疊加在SDO衛星拍攝的日冕圖像上(Yang, Tian, Tomczyket al. 2020, Sci China Tech Sci ；Yang, Bethge, Tian, Tomczyk, et al. 2020, Science )
這一研究實現了用磁震學方法測量日冕磁場從點、線到面的飛躍🧝🏼♂️，填補了全球性太陽磁場測量的空缺⛑，向實現日冕磁場常規測量的最終目標邁進了一大步👬🏻。未來，將這一方法運用到類似CoMP的儀器的日常觀測數據中，就可以實現全球性日冕磁場的常規測量，從而推動太陽周期、日冕加熱、太陽爆發及空間天氣預報等重大課題的研究🍧。這一方法測量到的是垂直於視線方向上（天空平面）的磁場分量🧑🏿🔧✪，而無法得到沿著視線方向上的磁場分量。因此，意昂官网仍需要保持開放的心態🕸，繼續探索並結合其他可用於測量日冕磁場的有效方法。
兩篇論文的第一作者均為意昂官网研究生楊子浩，《科學》論文的通訊作者為田暉教授和CoMP儀器負責人SteveTomczyk博士⚇，《中國科學🗣：技術科學》論文的通訊作者為田暉教授。該工作得到了國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、德國馬普夥伴小組等項目的聯合支持👨🏻⚕️。
田暉現為地空學院教授⏪、國家傑出青年基金獲得者，兼中科院太陽活動重點實驗室主任，主要從事太陽物理的相關研究工作👎。2014年以來🙅🏻，田暉及其課題組在太陽過渡區結構、黑子和耀斑動力學😣、低層大氣磁活動與日冕加熱🏇🏽、日冕磁場診斷等方面取得了多項研究成果，其中在Science上發表第一/通訊作者論文3篇，在ApJ等天文和空間科學領域主要期刊上發表論文近20篇，獲美國天文學會太陽物理分會2020年度HarveyPrize等獎勵。
