耀斑研究论文

耀斑研究论文

科研团队揭示

太阳超级耀斑辐射扰动地球空间

围绕太阳耀斑对地球空间效应研究，中美两国的科研人员近期取得新成果——太阳耀斑可影响到包含广袤地球磁层在内的整个地球空间。

这一成果，由山东大学“太阳爆发及其对行星空间环境的影响”攀登团队与美国国家大气研究中心、中科院地质地球所、美国达特茅斯学院等国际团队共同取得。山东大学刘晶教授为论文第一作者和通讯作者。

刘晶介绍，耀斑是太阳大气上局部区域最剧烈的爆发现象，短时间内爆发大量能量，导致几乎全波段电磁辐射如X射线、极紫外辐射等突然增强。太阳耀斑强度最高为X级。2017年9月，太阳在几小时内先后爆发X2.2级和X9.3级耀斑，导致地球朝向太阳一侧高频无线电通信近乎瘫痪1个小时。

“高频无线电通信受到干扰，是因为耀斑爆发时太阳辐射电离显著增强，引起突发电离层扰动。”刘晶说，科研团队经比对与模拟，发现耀斑还影响到距地面更远的磁层。突然增强的太阳辐射通量，减弱了“太阳风-磁层-电离层”能量耦合效率，削弱了太阳风和磁层向地球高空大气的能量注入。

研究团队进一步研究显示，耀斑导致地球极区的电离层电导率产生剧烈变化，使得磁层等离子体对流被重新分布，极区电离层的高能粒子沉降和电场都受到影响。可见，耀斑所产生的电离层效应可通过电动力学耦合扩展并影响整个地球空间，而不止局限于先前认为的高层大气区域。

我国科研团队揭示

调控 造血干细胞分化的分子机制

造血是一个复杂的生物学过程，是维持机体生命活动的重要部分，造血干细胞是如何工作的？日前，东北林业大学生命科学学院遗传学科教授金丽华的研究成果，首次揭示了细胞自噬调节薄层细胞分化的理论，为细胞自噬与细胞免疫研究提供了理论基础，对揭示血液系统疾病的发病机理具有重要意义。

一般来说，造血干细胞通过调节自我更新和分化来维持造血系统稳态，过程中受多种内在和外在信号途径的调控。造血系统分化程序失调或功能紊乱，将影响个体生长发育，并诱发多种疾病。

小GTP酶Rab5和Rab11定位于内体，在细胞内部膜运输中起关键作用。研究发现，在果蝇血细胞或幼虫造血器官皮层区抑制Rab5或Rab11，会诱导循环血细胞和淋巴腺皮层区细胞过度增殖，并产生大量薄层细胞，破坏造血干细胞稳态。Rab5和Rab11在维持造血干细胞稳态中起协同调节作用。薄层细胞只有被病原体感染后才大量产生，主要功能是封装无法被浆细胞吞噬的大型异物，是诱导免疫反应的关键。

金丽华介绍，果蝇与脊椎动物具有高度保守的调控血细胞发育的转录因子和信号传导途径。因此，利用便于基因操作的果蝇，可深入研究造血干细胞增殖和分化、干细胞稳态维持机制。

45.66亿年！

科学家发现最古老陨石

一支由法国和日本科学家组成的研究团队日前确认，去年在北非撒哈拉沙漠中发现的一块火山岩质无球粒陨石为迄今发现的最古老陨石，来自一个形成年代早于地球的原行星。

据英国《每日邮报》报道，研究人员通过分析这块无球粒陨石中的镁铝同位素，确定陨石在约45.66亿年前形成。目前对地球天文年龄的估计值为45.5亿年。

研究人员认为，这块近32千克重、被命名为EC 002的无球粒陨石来自一个早期星球的外壳，曾是液态熔岩，经过逾10万年冷却和凝固，在一次碰撞后进入太空并最终落在地球。

EC 002以其着陆点阿尔及利亚的舍什沙漠（Erg Chech）命名。研究人员发现，与大多数陨石为玄武岩质不同，这块陨石为火山岩质，富含钠、铁、镁，表面有黄色、绿色斑点，也是迄今发现的最古老磁性陨石。

研究人员说，没有一颗小行星具有与EC 002相同的光谱特征，“表明几乎所有（具有相同光谱特征的）天体都消失了，因为它们或者形成更大天体或行星的构成部分，或者已被毁掉”。

中国天稻 “航二代”首次成功育苗

曾搭载嫦娥五号上天的约1500株稻种成功育苗，长势喜人。在华南农业大学温室大棚里，嫩绿的幼苗指向天空，将离开温室，栽入田间。

这批共计40克的太空稻种于去年11月搭乘嫦娥五号登月，历时约23天、76万公里的“环月旅行”后，返回华南农业大学国家植物航天育种工程技术研究中心进行种植。

这批稻种可谓名副其实的“航二代”，其父母均为航天育种成果，分别名为“华航31号”和“航恢1508”。“与以往不同的是，此次搭载是全世界独一无二的绕月深空诱变研究，实现了水稻种子深空搭载的首次突破。”中心主任陈志强认为，“种子在搭乘过程中会经历微重力、太阳黑子爆发等特殊环境，这会对稻种基因变异造成影响，极其难得。”

据中心副主任郭涛介绍，这些种子内含4万个基因，基因经过深空环境发生改变后，可以通过对其定向跟踪，从而发现可利用的优良基因。“在地面上，研究人员借助射线、重离子等辐射，或模拟微空下的微重力环境来进行种子诱变。相比之下，深空环境极为独特，预期将产生更强烈的遗传效应。”

在业界专家看来，这批经过深空搭载的天稻极具科研价值。该中心将借由水稻种子深入了解模式生物响应深空环境的分子及遗传机制，为 探索 生命起源、物种进化和宇航生物安全提供理论支撑。此外，将获取一批具有重要价值的优良新基因，并形成完善的关键基因利用技术体系，服务于水稻品种选育。除研发以外，此次搭载预期成果还有为我国“种子安全”提供自主“种子芯片”。

耀斑杀到！地球：开启“神功护体”模式

作者 | 甘晓

还记得2017年9月6日爆发的那场十多年来最大的太阳耀斑吗？该爆发导致几乎整个地球朝向太阳一侧的高频无线电通信大范围失灵，长达1小时。

近日，《自然—物理学》发表了有关上述太阳耀斑影响地球空间的科学研究成果。该研究中，论文第一和通讯作者、山东大学空间科学研究院教授刘晶带领科研团队充分利用相关观测“利器”发现，耀斑所产生的电离层效应足以影响包括广袤磁层在内的整个地球空间，而不仅限于先前认为的高层大气区域。

电离层受扰动

耀斑，是太阳大气上局部区域最剧烈的爆发现象，在短短一二十分钟内耀斑可释放出相当于几十亿颗百万吨级氢弹爆炸当量的能量，导致几乎全波段电磁辐射如X射线、极紫外线辐射等突然增强。

根据强度递增，耀斑分为A、B、C、M、X五个等级，其中M、X级耀斑的爆发会给地球空间环境造成显著影响。2017年9月6日世界时9：10，太阳爆发了一个X2.2级的耀斑；3个小时之后，一个更大的X9.3级耀斑爆发，是第24太阳活动周最强耀斑。

据当时的报道，这是一个“十年级”的耀斑。在1976年以来记录的最强太阳耀斑列表中，它排在第14位，与1990年的大爆发类似。

无线电通信中断是此次耀斑给人们带来的切身感受。刘晶向《中国科学报》介绍：“这一现象与距离地面以上60~1000千米的电离层有关。”当耀斑爆发时，随着太阳辐射强度的迅速增强，大气中的电离过程显著增强，导致其中的电子密度迅速升高，并引发电离层扰动，导致高频无线电波突然衰减甚至消失，影响导航系统的信号传输和定位精度等。

此外，耀斑还能加热中性气体，增加低地球轨道航天器高度上的大气密度与阻力，使得航天器需消耗更多燃料维持既定轨道运行，从而影响其工作寿命。

磁层“加持”

耀斑能否“触碰”电离层以外的更高区域，是空间科学家一直想要了解的问题。

刘晶带领的科研团队将目光集中在距离地面约1000千米以上的地球磁层。这是一个被太阳风包围，并受地球磁场与太阳风磁层共同影响和控制、完全电离的区域。

由于太阳风粒子无法横跨地球磁层而直接进入地球空间，科学家将磁层视为地球抵御太阳风粒子“攻击”的“屏障”或“铠甲”。但是，当太阳风与地球磁层的磁场方向相反时，源自双方区域的磁力线会“连”在一起并相互贯通，导致太阳风中的粒子直接传输至地球空间。

那么，以增强辐射为主要特征的耀斑过程，除了直接影响地球电离层区域外，能否也像太阳风那样引起磁层区域的扰动呢？最新的这项研究证实，在2017年那次大耀斑爆发时，耀斑所产生的电离层效应通过电动力学耦合扩展，足以影响包含磁层在内的整个地球空间，而不仅限于先前认为的地球高层大气区域。

具体机制是，耀斑发生时，突然增强的太阳辐射导致电离层电导率迅速增加，增强了“铠甲”磁层抵御太阳风的能力，而使太阳风“击穿”磁层进入地球空间变得更加困难，减少太阳风和磁层向地球高空大气的能量注入。也就是说，耀斑发生时，地球磁层成为避免受太阳风影响的一个“自我保护”机制。

相关专家认为，这一结论更新了人们对太阳—磁层—电离层耦合过程的认识。

采用多项“利器”

该研究中，为深入研究太阳耀斑如何影响地球空间的科学问题，科研团队采用了多项先进“利器”获得足够的观测数据。

据刘晶介绍，研究采用了全球卫星导航系统、欧洲非相干散射雷达网、覆盖南北极区的国际超级双子极光雷达网、电离层卫星和月球轨道卫星等基础设施。“它们提供了日侧太阳风—磁层相互作用、全球磁层—极区电离层大尺度对流、沿磁力线的场向电流和全球电离层电子密度等多参量、多区域观测。”

同时，这项研究还结合了大型数值模式——高时空分辨率磁层—电离层—热层理论模型（LTR）数值模拟结果，再现了观测到的由耀斑触发的磁层—电离层耦合系统变化，首次揭示了耀斑对磁层的影响。据悉，刘晶参与开发了LTR模式中与电离层、磁层作用过程有关的部分关键模块。

对此，业内专家认为，这一新发现有望改进现有的磁层—电离层耦合模型，即在模型中采用更高时间分辨率的时变太阳辐射光谱，提升模型诊断地球空间响应太阳瞬时辐射变化的能力，为预测包括磁层在内的整个地球空间响应太阳瞬时辐射变化奠定了理论基础。

此外，刘晶指出，这项研究为 探索 和理解太阳耀斑对其他行星的影响提供新的线索，这将为科学家们研究空间天气、行星大气和系外行星宜居性提供参考。“例如，研究耀斑对同样具有磁层的木星、金星和土星等其他行星所产生的影响，可以洞悉此类行星早期的大气演化，揭秘究竟是怎样的‘幕后推手’阻碍其生命的出现。”

相关论文信息：

12年一轮回：双黑洞共舞纵穿吸积盘，“你中有我我中有你”

美国宇航局（NASA）斯皮策（Spitzer）太空望远镜即将退役，但在其服役16.5年所观察的现象将是未来多年研究主题。比如说，斯皮策是唯一一个观察到远星系OJ287中心发生的令人震惊现象的望远镜：一个黑洞围绕超大质量黑洞(SMBH)运动，并定期会穿过其吸积盘。

每当小黑洞穿过吸积盘时，都会产生比银河系所有恒星发光总和还要强烈的闪光。通过斯皮策的观测数据，国际天文学家小组得以创建相关模型，可准确预测闪光发生时间与较小黑洞的运动轨道。这个发现不仅演示了广义相对论，而且也是对斯蒂芬·霍金的“黑洞无毛定理”的验证。

位于距地球35亿光年的OJ287星系通常被誉为‘耀变体’，即具有异常活跃的星系核并从其中心喷发高能量粒子的星系。在其中心是超大质量黑洞（SMBH），质量约为太阳180亿倍，为迄今人类发现最大黑洞， 银河系中心（射手座）的黑洞也才约为太阳质量的40倍。

在这数十年里，天文学家意识到该黑洞的双星性质，并推测它的同伴，那个约为太阳质量1.5亿倍的黑洞，每12年完成一次公转，每次公转会撞击超大质量黑洞（SMBH）吸积盘两次。这些碰撞会产生膨胀的热气气泡（耀斑），这些气泡会偏移吸积盘并发出极强光。

这些耀斑被称作‘埃丁顿耀斑’，为纪念1919年亚瑟·爱丁顿爵士日全食观测一百年。这个伟大的观测证实了在其四年前阿尔伯特·爱因斯坦正式提出的广义相对论。

因为小型黑洞的运行轨道不规则，它每十二年都会偏离轨道一些，且与吸积盘的角度发生倾斜。这意味着在运行周期中，它每次与吸积盘相撞产生耀斑的时间将不一。但只要天文学家意识到其双星属性，他们就可以尝试构架准确预测下一次耀斑发生的模型。

2010年，科学家们首次成功构建预测耀斑发生模型，该模型可提前1-3周预测耀斑的发生。2015年12月，通过该模型成功提前3周预测到耀斑的发生，证明了这一模型的可靠性。直到2018年，该团队构建了一个更加准确可靠的模型，可提前4周预测到闪光的发生。

图：OJ289星系的双黑洞系统。天文观察者们证实了这一模型的准确性。图源 土耳其大学（University of TurkuIn）。 该团队最近运用斯皮策望远镜的观测数据成功预测到2019年7月31日那天会出现耀斑，证实这一预测模型的准确性。最近，一篇名为 “斯皮策望远镜对耀变体OJ287爱丁顿耀斑的观测结果 ” 的论文记录了这一发现，发表在了天文物理期刊快讯（the Astrophysical Journal Letters）上。

当时OJ287星系位于太阳的对面一侧，因此天文观察者们能观测到耀斑实属幸运。 斯皮策望远镜的观测范围十分广阔 ，最远可观测到距地球2.54亿千米远的地方，因此7月31日那天我们可以观测到该星系。9月以前用斯皮策都可以观测到OJ287星系，9 月份的时候该星系就不再为太阳所遮挡。

塞薄·莱恩（Seppo Laine）是加州理工学院的一名副高级资深科学家，同时也是这篇论文的第一作者，由他负责监测用斯皮策望远镜对OJ287星系进行观测得到的数据。他在NASA最近召开的一次新闻发布会上说道：

“当我第一次观测到OJ287星系的时候，对于可以用斯皮策望远镜观测到该星系，我大吃一惊，因为那天正好是我们预测到可以观测到下一次耀斑出现的时间。能用斯皮策望远镜观测到耀斑活动 最剧烈的时刻 ，是我们的幸运。这世上没有第二台人造设备可以在那一刻完成如此壮举”

艺术家们对于射手座A的设想，一个位于星系中央的巨型黑洞。图源NASA/JPL

OJ287星系经预测会发出重力波，天文学家在地球上可以用激光干涉引力波天文台（LIGO）等设备观测到。事实上，该星系产生的引力波威力巨大，将大大改变小黑洞的运行轨迹（因此，也将改变 耀斑发光时间 ）。

之前关于OJ 287星系的研究已经对引力波做了一些阐释，但是2018年的模型是迄今为止最详细的。通过将激光干涉引力波观测台（LIGO）自2015年起获取的信息纳入这一模型，团队能将耀斑预计持续时间缩短到正好1.5天。为了进一步完善他们的预测，他们也将较大黑洞物理特征的细节考虑进去了。

值得一提的是，这一新模型结合了黑洞无毛定理，这一定理最初由包括史蒂芬霍金在内的一物理学家小组在20世纪60年代提出。这一定理预测黑洞的“表面”，或者更准确的说，黑洞的外边界（即事件视界）沿着其旋转轴是完全轴对称的。团队借此将预测模型缩短了几个小时。

通过比较精确地预测较小黑洞的运行轨道，新模型是支持黑洞无毛定理的。模型还证实了另一个预测，其由加州理工学院的名誉教授基普索恩在20世纪70年代所做，他描述了一个天体环绕特大质量黑洞的运行方式会揭示它的表面到底是对称的还是“多毛的”。

一幅艺术家关于黑洞和它的吸积盘的想象图。图源：欧洲空间局/哈勃，欧南台，M.科恩梅斯

解释一黑洞到底是不是光滑而对称的很重要，因为这决定了较小黑洞轨道运行时间。当一个轨道的问题主要在于质量的时候，质量的分布也就同样重要。所以如果一个黑洞是“多毛的”，它将对任何环绕它运行的物体有着显著的影响。

简而言之，OJ 287星系支持黑洞表面沿其旋转轴是对称的理论。“我们证实或是否定黑洞无毛定理，对于研究黑洞的科学家来说是很重要的，”图尔库大学的天文物理学家，同时也是这一论文的合著者莫里瓦尔顿这样说道，“如果没有它，我们根本不能相信由霍金和其他物理学家所设想的黑洞是存在的。”

这就是像斯皮策这样望远镜的使命。（相信）在它们退休很久之后，这些曾在它们服役期间取得的成绩也会持续影响着科学的发现和突破。永别了，斯皮策。另外也感谢所有关于宇宙的红外数据！

作者 ：universetoday

FY ：Astronomical volunteer team

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