日冕物质抛射（CME）源于日冕磁场的不稳定性，大量的等离子体和磁场被从日冕抛射至行星际空间。CME具有重要的空间天气效应，位于空间天气研究和预报的核心。 对CME直接的就地测量仅发生于行星际空间，从未在日冕中进行过，而在行星际空间中的CME（称为ICME）已是演化之后的状态。在日冕中（即阿尔芬半径以下区域）对CME及其相关结构进行直接就地测量，对于理解CME的爆发和加速机制、新生状态、及其对日冕和行星际空间的影响无疑具有非常重要的意义。
Parker Solar Probe（PSP）卫星于2022年9月5日，在历史上首次在日冕中对快速CME及其相关结构进行了直接就地测量。结合日冕仪成像观测和PSP就地测量，中国科学院国家空间科学中心（以下简称“空间中心”）太阳活动与空间天气重点实验室刘颍研究员等人研究了该CME及其激波的早期结构、日冕中电流片的磁重联、声速临界点处的日冕的物理条件等关键科学问题。
图1：STEREO和SOHO卫星对CME和激波的成像观测。PSP在离日心15个太阳半径处开始对激波和CME进行直接就地测量
该CME发生于活动区13088（W170 S28 ）。 在日冕仪成像观测中（见图1），CME呈现出复杂的结构，它要么是扭曲的单一事件，要么是由两个爆发组成的复合事件。考虑到其结构的复杂性，对该CME进行拟合将很困难，然而对其激波在两个视图中都可以通过简单的球形结构很好地拟合。对激波成像的拟合结果表明，激波的传播方向为（W170 S50 ），激波前端峰值速度为2900km/s，预测激波将于9月5日的17:39 UT到达PSP，到达时激波的法向速度将为1300 km/s。鉴于该传播方向和PSP在黄道面上的位置，PSP将从侧面穿越激波和抛射物。
图2：PSP在日冕中对快速CME进行直接就地穿越观测
PSP在日冕中的就地观测特征（见图2）与从成像观测得到的侧面穿越的结论一致。虽然没有对CME的磁流绳（flux rope）进行正面穿越，PSP的就地测量揭示了新生抛射物的三个独特且重要的特征。首先，事件两侧太阳风的阿尔芬马赫数小于或等于1，因此激波和抛射物仍然处于日冕中，而非行星际空间。其次，抛射物内部的温度明显高于激波上游的温度。这表明抛射物始于日冕中的高温源，并且抛射物仍处于其膨胀的早期阶段。再次，抛射物的等离子体 也很高。高 意味着抛射物内部的磁场为高度非无力场，也表明热压梯度力是CME早期加速和膨胀的关键力量。这些结果与行星际空间中的观测结果截然不同。
图3：PSP在日冕中对激波进行直接就地观测
PSP在17:27:19 UT观测到了激波（见图3），激波到达的时间早于从成像观测预测的时间。研究人员利用PSP就地测量数据和最小二乘拟合的方法来确定激波的参数。激波的阿尔芬马赫数仅为2.1左右，因此激波不是很强。激波的法向速度为840km/s，远小于从成像观测得到的速度（1300km/s）。鉴于PSP就地测量结果与成像观测结果之间存在较大差异，我们认为该激波并非成像观测中的激波。PSP的就地测量表明，等离子体和磁场参数在17:34 UT存在一个间断面，这可能对应于一个衰退后的激波。它之所以衰退，是因为它传播至具有高阿尔芬速的快速流中。这两个激波的情形指出可能存在两次连续爆发，预计这两个激波很快就会合并。
图4：PSP在日冕中就地观测到了日球空间电流片（HCS）中的磁重联、以及声速临界点处的太阳风（Ms～1）
PSP在日冕中也对日球空间电流片（HCS）进行了穿越观测（见图4），符合研究人员重构的全局的日冕磁场位形，也揭示HCS在CME爆发后变得更扭曲。在HCS中观测到了明显的磁重联特征，包括降低的磁场强度、增加的径向速度、以及升高的温度。径向磁场分量的突然变化符合Petscheck磁重联机制。基于PSP的就地观测，研究人员确定了HCS在日冕中的厚度约为2.8 104km。因为磁重联发生于亚阿尔芬速太阳风中，重联后的磁力线在向阳侧能够返回太阳并闭合，从而减少行星际空间中的磁通量，这对于日球空间中磁通量的长期平衡具有重要意义。
此外，PSP在穿越HCS之后观测到了声速临界点处的太阳风，这也是历史上首次对声速临界点处的日冕进行直接就地测量。一般认为，声速临界点位于离日心几个太阳半径处。而此次观测指出声速临界点惊人地高，离日心约为15个太阳半径。对太阳风溯源的结果表明，该处对应刘颍等人在2023年提出的低马赫数边界层（LMBL）结构，很可能LMBL结构为声速临界点的穿越提供了有利条件。在声速临界点处，日冕径向磁场非常光滑，磁力线回转现象（switchback）几乎彻底消失。磁力线回转现象普遍存在于PSP观测数据中，是PSP重大的科学发现之一，然而其起源极具争议。基于以上观测，研究人员提出磁力线回转现象始于声速临界点之上的新论断。
该论文发表于The Astrophysical Journal，第一作者与通讯作者均为空间中心刘颍研究员，合作者包括航天工程大学朱蓓、空间中心研究生冉豪等。这篇文章展示了日冕中CME及其相关结构的直接就地测量结果，对于理解CME的爆发和加速机制及其对日冕和行星际空间的影响具有非常重要的意义。
Citation:
Ying D. Liu, Bei Zhu, Hao Ran, Huidong Hu, Mingzhe Liu, Xiaowei Zhao, Rui Wang, Michael L. Stevens, and Stuart D. Bale, Direct In Situ Measurements of a Fast Coronal Mass Ejection and Associated Structures in the Corona, 2024, The Astrophysical Journal, 963, 85
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad1e56
（供稿：天气室）
