劇烈的太陽爆發會向日冕-行星際空間釋放大量高能電子，進而擾動近地空間環境。在光學、紫外波段，高能電子在稀薄的大氣中只能產生非常微弱的輻射，現有的觀測技術根本無法看到這些訊號。但是，高能電子可以在射電波段產生比背景輻射強數萬倍到數千萬倍的輻射增強訊號，從而使追蹤太陽高能電子束的起源、加速和在行星際空間傳播成為可能，我們可以在射電波段看見太陽高能電子束！
圖1. 太陽射電頻譜圖示例-比利時ARCAS和HSRS頻譜儀在2017年9月6日觀測到與X9.3級耀斑有關的射電爆發，包括射電II，III，IV型暴以及疊加的尖峰，斑馬紋等頻譜結構（圖源：https://wwwbis.sidc.be/humain/event_x9_20170906.php）
太陽射電暴，是指太陽在射電波段的輻射流量增強現象，通常在寬頻動態頻譜圖（頻率-時間圖）上表現為各種有趣的頻譜結構（圖1），如太陽射電I、II、III、IV、V型暴、脈動結構、斑馬紋結構、尖峰爆發等，它們通常反映出爆發源區各異的物理環境以及輻射機制等諸多重要資訊。
圖2. 國家天文臺懷柔太陽射電寬頻動態頻譜儀觀測到的太陽射電III型暴頻譜圖，此圖觀測頻段為1.1-1.34GHz（圖源：黃靜、譚寶林，2012）
在太陽射電頻譜結構中，研究最為廣泛的便是射電 III 型暴（圖2，圖3）。其在頻譜圖上表現為快速頻率漂移，頻率範圍可覆蓋1 MHz-10 GHz，頻漂率 > 10% 中心頻率每秒，具有較高的輻射亮溫度和較短的壽命，常常成群出現，並與太陽耀斑密切相關。
圖3. 太陽-行星際射電III型暴頻譜圖，由瑞士Bleien射電頻譜儀（圖中200-900 MHz）、法國Nancy頻譜儀（圖中15-80 MHz）、日地關係天文臺搭載的無線電監測裝置STEREO/WAVES（圖中0.1-14 MHz）觀測結果拼接而成（圖源：Reid et al. 2014）
那麼，太陽射電 III 型暴與電子束有什麼關聯呢？這要從它的產生機制說起。
通常認為，太陽射電 III 型暴是非熱電子束以約 0.3-0.8 倍光速沿開放磁力線向外傳播時產生的，是高能電子束穿過日冕和行星際空間產生的訊號，為遠距離示蹤這些電子流提供了有力的工具。目前為止，大家普遍認為射電 III 型暴主要的產生機制是等離子體輻射機制，高速電子束流沿磁力線向外運動，在遠離加速區處，快電子追過慢電子，在等離子體中形成“尾瘤不穩定性”，產生強朗繆爾波，透過波-波相互作用和等離子體輻射過程轉化成可被觀測到的電磁波，形成 III 型暴。
圖4. 左圖：耀斑標準模型示意圖，右圖：太陽射電III型暴卡通圖，來自重聯區向上運動電子束產生正常漂移III型暴，向下運動電子束產生反常漂移III型暴（圖源：Bastian et al. 1998）
電子束沿著這些大尺度磁力線以不同的方向運動時，在頻譜圖上會表現出不同的形狀。除了從高頻漂移到低頻的正常漂移III型暴（負漂移），還有從低頻漂移到高頻反常漂移結構（正漂移）（圖4），射電輻射從高頻漂到低頻，再漂向高頻，在頻譜圖上呈現 U 形狀即稱為U型暴，同樣相似的J 型暴（圖5）也都是 III 型暴的變種之一。
圖5. 歐洲低頻陣LOFAR觀測到的射電J型暴頻譜（上圖）成像結果（下圖）（圖源：Reid et al. 2017）
由於太陽是個“面源”，日面不同位置處的射電輻射強度會隨著時間變化，而單一口徑的射電望遠鏡指向太陽時，得到的是整個日面的總流量變化。因此早期由於射電望遠鏡技術發展的限制，對太陽射電III型暴的觀測研究主要是利用頻譜觀測中的頻漂率、偏振度，引入一些模型假設來進行物理引數診斷。
近十幾年來，綜合孔徑和多波束射電望遠鏡逐漸發展起來，併成功實現對太陽的全日面射電成像，使得我們能夠看見射電III型暴的空間輪廓，獲得輻射源區的位置和空間結構資訊，並且得到電子束空間演化的動力學特徵。例如陳彬等人利用美國甚大陣 VLA 的射電觀測追蹤了太陽射電III型暴的空間位置（圖6），發現在耀斑過程中電子束離開重聯區沿著磁力線向外運動，非常完美地描繪了高能電子束的運動軌跡。
圖6. 美國甚大陣VLA觀測到的射電III型暴頻譜（上圖）成像結果（下圖）（圖源：陳彬、餘思捷等人，2018）
太陽射電III型暴，對耀斑源區物理過程和高能電子的加速過程有著靈敏的響應，有利於我們理解太陽爆發活動的觸發機制、爆發源區的等離子體密度、溫度、磁場強度和源區空間尺度以及高能電子能量分佈、加速與傳播機制等物理過程。
隨著太陽寬頻頻譜成像裝置的發展與完善，如中國明安圖射電頻譜日像儀MUSER、美國歐文斯穀日像儀EOVSA，以及大型射電天文裝置歐洲低頻陣LOFAR、美國甚大陣VLA開展對太陽的觀測，還有建設中的中國明安圖米波-十米波日像儀，國際平方公里射電陣SKA等，都將會極大的推進太陽射電III型暴的成像研究，有利於我們更好的理解太陽爆發過程中高能電子的動力學行為，為災害性空間天氣事件的預報提供可靠的、來自源頭的證據！
作者簡介：陳星瑤，中國科學院國家天文臺助理研究員，主要從事太陽物理和太陽射電天文學的研究。
文稿編輯：趙宇豪
來源： 光明網
