科研
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以北京大学地球与空间科学学院田晖教授及其博士生张佳乐为主的合作研究团队在恒星磁活动方面取得重要进展。利用“中国天眼”（即五百米口径球面射电望远镜FAST）高灵敏度、高分辨率的射电观测，该团队在M型恒星AD Leo上探测到一种新的毫秒级射电暴，结合恒星表面磁场测量数据，认证出该神秘电波来源于恒星黑子区域的小尺度磁场。该工作填补了对太阳系外恒星小尺度磁场认知的空白，对揭示星冕爆发的机制、推动太阳系外的空间天气研究有重要意义，相关工作近日发表在国际学术期刊《科学进展》（Science Advances）上。
图1 M型恒星AD Leo射电暴动态频谱图（A）及其精细结构（B、C、D）
太阳磁场是驱动太阳活动的根源，耀斑、日冕物质抛射等太阳磁活动可以引起太阳系空间环境的扰动，形成空间天气现象，进而影响卫星、通讯、导航、电力等系统的正常运行。这些磁活动通常源自太阳上局地的强磁场区域，即太阳黑子区域。在其它晚型恒星上，也存在着类似的磁活动现象，一些恒星（如活跃的M型恒星）上的磁活动比太阳上的更加剧烈、频繁，对近邻行星的宜居性有着显著影响。
测量恒星小尺度磁场是探究恒星磁活动起源、评估其潜在空间天气效应的关键。但长期以来，主流的恒星磁场测量方法（如塞曼多普勒成像）基本只能提供恒星全球性的大尺度磁场信息，无法分辨恒星黑子区域的小尺度磁场结构。射电观测也是诊断恒星磁场的重要手段，但由于难以对恒星成像，过去一直难以判断观测到的射电辐射是来自大尺度磁场还是小尺度磁场结构。
图2 AD Leo三维磁场外推模型，中间为恒星表面径向磁场强度，黑色磁力线展示的是全球大尺度磁场，紫色磁力线展示的是黑子区域的小尺度磁场（射电辐射源区）
田晖和张佳乐等人利用FAST观测，发现恒星射电辐射存在许多毫秒级的精细结构，而这些精细结构包含着源区磁场大小及其随高度变化的关键信息（Zhang et al. 2023）。最近，该团队在活跃的M型恒星AD Leo上发现一种频率漂移速度极快（~8GHz/s）的毫秒射电暴（图1），其漂移速度远高于过去报道的所有晚型恒星射电暴的频率漂移（Zhang et al. 2025）。该团队发现，如果想解释如此快的频率漂移，射电辐射的源区必须位于一个磁场强度为350—540G、磁场标高小于0.15倍恒星半径的位置。在分析基于该恒星表面磁场测量数据构建的全球磁场模型之后，他们排除了辐射源于恒星大尺度磁场的可能，辐射源区只可能是一个小尺度的磁场结构（水平跨度小于30度，高度小于0.2倍恒星半径），最可能是黑子上方的星冕磁场结构（图2）。如此小尺度的磁场结构现在没有其他方法可以直接探测。该工作表明，恒星黑子区域的磁活动可以将电子加速到很高能量，这些高能电子在星冕磁场中通过电子回旋脉泽辐射机制，产生独特的射电频谱精细结构。而这些精细结构提供了一种诊断恒星上局地磁场的方法。这对了解恒星射电辐射的起源、研究恒星复杂的多尺度磁场结构具有重要意义。
传统上，人们主要依靠光学观测手段来研究恒星黑子，例如通过分析恒星亮度的周期性变化或光谱特征，推测黑子的存在与分布。这类方法通常依赖特定模型，虽然能够揭示黑子的总体覆盖率和温度特征，但难以直接测量单个黑子的磁场信息。FAST的高灵敏度射电观测为黑子探测和研究提供了一种全新的、与光学手段互补的途径。通过探测恒星黑子上方局地磁场结构发出的射电信号，人们可以约束黑子的尺度，了解其上方星冕磁场的强度和结构。两种手段结合起来，人们可以更加全面、准确地刻画恒星黑子的性质。
此外，这一发现还揭示了恒星“射电极光”的一种起源机制。此前，人们在许多活跃的晚型恒星上观测到高亮温度、强圆偏振的射电暴信号，通常被解释为电子在磁场中运动所产生的回旋脉泽辐射。由于这些信号与木星极光的射电信号相似，因此也常被称为恒星的“射电极光”，许多人认为其机制上与行星产生射电辐射的方式类似，即由恒星-行星磁相互作用或恒星磁层的共转破坏（corotation breakdown）产生。此次FAST观测结果表明，至少有一部分“射电极光”并非来自恒星大尺度偶极磁场的极区，而是源于恒星表面黑子上方的小尺度磁场区域，是恒星自身局地剧烈磁活动的产物。
图3. 本次观测结果示意图，右上方为观测到的射电频谱的一部分
FAST望远镜提供的高灵敏度和高时间、频率分辨率的观测是该工作成功的关键。以往的恒星射电观测时间分辨率大多在小时或分钟量级，较少有秒和亚秒级时间分辨率的观测，FAST观测将时间分辨率直接拓展到了亚毫秒级。开展亚毫秒分辨率的恒星射电观测对望远镜的灵敏度提出了极其严苛的要求，当前世界上其它射电望远镜基本都难以实现类似FAST的观测效果。田晖和张佳乐等对M型恒星磁活动的观测开拓了基于FAST研究晚型恒星系统的新方向。除此之外，基于将日球层物理的研究思路和方法推广到太阳系外的恒星-行星系统这一初衷，田晖团队也在利用FAST观测开展对年轻类日恒星、褐矮星、恒星-行星相互作用过程的探索，这将进一步拓展对恒星磁活动及其驱动的系外空间天气现象的理解，为寻找系外宜居行星提供重要启示。
论文第一作者为张佳乐，通讯作者为田晖，其他合作者包括北京师范大学苍天启博士、莱顿大学S. Bellotti博士、新泽西理工学院陈彬和余思捷教授、巴黎天文台P. Zarka博士、国家天文台姜鹏研究员、贵州大学陆洪鹏教授、中山大学高扬教授等人。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、科学探索奖以及国家留学基金委等的资助。
论文信息：
1. J. Zhang, H. Tian, P. Zarka et al., Fine Structures of Radio Bursts from Flare Star AD Leo with FAST Observations, ApJ, 953, 65 (2023)
2. J. Zhang, H. Tian, S. Bellotti et al., Starspots as the origin of ultrafast drifting radio bursts from an active M dwarf, Science Advances, 11, eadw6116 (2025)
本文链接：http://knowith.com/news-3-4162.html地空学院田晖课题组利用“中国天眼”首次捕获恒星黑子区射电暴信号
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