Towards understanding the early kinematics of coronal mass ejections: Proba-3/ASPIICS observations of the 21 September 2025 event

太阳是一颗躁动的恒星，不断向外喷射着被称为太阳风的带电粒子流。偶尔，这种流动会被被称为日冕物质抛射（CME）的大规模、剧烈爆发所中断。这些事件将数十亿吨磁化等离子体从太阳表面喷射到太空中，其飞行速度可达每秒数百公里。当此类爆发指向地球时，它会与我们的行星磁场发生相互作用，既能创造壮丽的极光，也会对卫星、电网和通信系统构成风险。几十年来，科学家们一直了解这些爆发始于物质缓慢、安静的上升，随后是突然而剧烈的加速。然而，一个关键的谜题仍然悬而未决：即这种缓慢上升转变为快速爆炸的确切时刻。这种转变发生在太阳大气的内层区域，由于该区域位于观测太阳表面的仪器与观测遥远日冕的仪器之间的盲区，因此一直难以被清晰地观测。

由比利时皇家天文台及国际合作伙伴的研究团队发表的一项新研究终于填补了这一空白。利用欧洲空间局 Proba-3 任务中搭载的一台专用仪器，该团队捕捉到了 2025 年 9 月 21 日发生的一次日冕物质抛射的连续高清视图。该事件始于一个安静的日冕晕（prominence），即一个悬挂在太阳大气中的冷而致密的气体环，它开始缓慢上升。随着它的攀升，该结构开始发生扭转和失稳。新的观测结果使科学家能够追踪这种爆发从其紧贴太阳表面的最初运动开始，一直到中日冕层的全过程，而没有丢失任何视线。通过将这一新仪器的数据与来自其他航天器的旧观测数据相结合，研究人员得以构建出该爆发的速度和加速度的完整时间线，揭示了该事件是如何从缓慢漂移演变为高速投射物的。

成功的关键在于一台名为 ASPIICS 的仪器，它使用独特的结构来遮挡太阳表面的耀眼光芒。与以往必须依赖内部掩模或只能观测遥远日冕的望远镜不同，ASPIICS 使用另一艘以编队形式飞行的航天器作为外部遮阳板。这种设置创造了一个清晰的、黑暗的视角，可以观察从紧贴太阳表面开始，延伸至三倍太阳半径的太阳大气层。这正是爆发物理特性发生最剧烈变化的特定区域，此前该区域一直处于不确定状态。研究人员重点观察了发生在太阳西南边缘上方的一次爆发。他们观察到一个看起来像是明亮、扭曲结构的安静日冕晕开始升起。在一段时间内，上升过程是缓慢且稳定的，但随后该结构突然向前猛冲。

团队测量了爆发随时间移动的距离，绘制了一张详细的运动图。他们发现，爆发遵循一种明显的模式：起始缓慢，随后是剧烈的脉冲式加速。爆发的核心（即原始的日冕晕物质）首先开始上升。随着它的移动，它推挤周围的太阳大气，在其前方堆积等离子体，从而形成一个明亮的领先边缘。这个领先边缘出现的时间晚于核心，但其速度很快就赶上了核心。数据显示，核心的速度达到了约每秒 400 公里，而领先边缘在内日冕层内加速到了约每秒 450 公里。这种加速并非平缓的增加，而是一种快速的非线性激增，表明了磁能的突然释放。

为了确保这些测量结果准确且不因观测角度而产生畸变，研究人员将新数据与来自太阳系不同位置的三艘其他航天器的观测数据相结合。通过从多个角度观察同一事件，他们可以重建爆发的三维图像。这种分析证实，爆发是以自相似的方式扩张的，这意味着它在生长过程中保持了相同的形状。三维重建显示，当爆发到达四个太阳半径处时，其真实速度约为每秒 515 公里。由于这次爆发发生在从地球视角看太阳边缘附近，观测角度非常有利，速度和距离的测量值非常接近实际值，仅需进行微小的修正。

研究还对比了新高分辨率数据与关于此类爆发行为的旧模型。研究人员发现，爆发的运动可以用一条平滑的数学曲线来描述，该曲线涵盖了缓慢启动、爆发式加速以及最终进入恒定速度的过程。这条曲线与观测结果完美契合，表明驱动爆发的力量以及来自太阳风的阻力已被很好地理解。领先边缘和核心几乎同时加速，并在几乎相同的时间达到峰值速度。这一发现挑战了“领先边缘和核心可能作为完全独立的实体存在”的观点；相反，它们似乎是一个单一、凝聚的结构，共同响应正在发生的磁力作用。

这项研究最重要的成果之一是证明了长期存在的太阳观测缺口已被填补。多年来，科学家们不得不猜测太阳表面与外日冕层起始点之间发生了什么，通常依赖于无法同时观测同一物体的不同仪器。Proba-3 任务提供的连续追踪显示，追踪单次爆发从诞生到成熟的过程是完全可能的。数据证实，从缓慢上升到快速爆炸的转变是一个发生在内日冕层内的快速、剧烈的过程。研究人员指出，这次特定的事件——其表现为从安静的日冕晕到快速移动的等离子体云的清晰演进——代表了日冕物质抛射运作方式的一个教科书级范例。

精确测量这些速度和加速度的能力，为更好地预测空间天气打开了大门。通过了解爆发究竟如何加速以及它向哪个方向旅行，科学家可以改进他们关于这些等离子体云如何与地球相互作用的模型。该研究并不声称已经解决了太阳爆发的所有谜团，但它为未来的工作提供了一个坚实、经过测量的基础。研究人员指出，虽然这次单一事件提供了清晰的图像，但需要研究更多数量的爆发，才能确定这种行为是否具有普遍性，或者不同类型的爆发是否遵循不同的规则。目前，对 2025 年这次事件的连续高清观测，已成为日冕物质抛射在最早期、最关键时刻的决定性记录，将曾经的盲区转化为了清晰理解的窗口。