日冕物质抛射（CME）包含较强的磁场和大量高能等离子体，这些等离子体和磁场从低日冕爆发并进入行星际空间。当CME到达地球或其他行星时，可引发空间天气事件。CME的磁场是影响空间天气的一个关键因素，而CME的旋转会改变CME到达地球和其他行星的磁场形态。前人的研究发现CME在低日冕发生明显的旋转过程，但通常认为CME在行星际传播过程不太可能发生旋转。
    近日，中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室博士生马孟暄（第一作者）、杨利平研究员（通讯作者）、沈芳研究员（共同通讯）等与中国科学技术大学地空学院申成龙教授、汪毓明教授以及深空探测实验室迟雨田博士等人合作提出了CME的非对称膨胀及非一致的运动会引起CME在行星际空间的旋转，并通过模拟天问一号探测到的2021年12月4日CME事件证实该观点。
    该项研究使用实验室自主研发的AMR-SIP-CESE太阳风磁流体力学数值模式，由全球日震观测网(GONG)  提供的全日面磁图为驱动，模拟得到太阳到火星的太阳风物理参数。之后，采用GCS模型对太阳和日光层天文台(SOHO)/ 广角日冕仪 (LASCO)和日地关系观测台（Stereo-A）观测到的2021年12月4日CME事件进行拟合，得到CME的初始化参数，以驱动CME在太阳到火星的传播演化模拟。模拟结果再现了SOHO/LASCO C3和STEREO-A/COR2观测到CME在日冕的形态及位置。同时，模拟得到了CME到达水星、火星等附近的状态，并与“贝皮·哥伦布”（Bepi-Colombp）卫星、火星大气与挥发物演化任务（MAVEN）卫星和天问一号卫星的原位测量进行对比，发现模拟能重现CME及其驱动激波的到达时间、激波强度等，但模拟得到的CME磁场强度和形态与原位测量有一定差异（如图1）。这可能是由于初始CME的磁场形态没能完全刻画真实CME的磁场形态。

图1：CME行星际模拟结果与Bepi-Colombo卫星（左图）、MAVEN卫星和天问一号卫星（右图）局地探测对比

    在以上模拟重现观测的基础上，研究人员通过分析CME从太阳到火星的传播过程，发现该CME事件在日冕中发生非对称膨胀，在行星际传播过程中表现为CME的不同部位运动速度不同。模拟得到CME的三维立体结构显示在日冕中CME的上部位于低纬低速太阳风，受闭合磁场结构及日球电流片限制，CME的上部保持在低纬区域；但CME的下部位于开放磁场，发生了明显膨胀进入高纬高速太阳风。当CME从日冕进入到行星际空间，受拖拽力的影响，CME各部分速度接近背景太阳风速度，导致CME的上部运动慢，下部分运动快，从而CME发生旋转（如图2）。

图2：CME磁通量绳结构（黑色线代表轴向）在行星际传播过程中的旋转

    该项研究对理解CME在日球层传播演化过程中的动力学及结构的变化提供了新的视角，相关结果发表于The Astrophysical Journal。本研究受到国家自然科学基金重点项目、科技部国家重点研发计划以及中国科学院B类先导专项等项目的联合资助。

论文链接：Mengxuan Ma, Liping Yang*, Fang Shen*, Chenglong Shen, Yutian Chi, Yuming Wang, Yufen Zhou, Man Zhang, Daniel Heyner, Uli Auster, Ingo Richter, and Beatriz Sanchez-Cano, Interplanetary Rotation of 2021 December 4 Coronal Mass Ejection on Its Journey to Mars, 2024, Astrophys. J., 976 183.https://doi.org/10.3847/1538-4357/ad8a5a

来源：国家空间科学中心