太阳是距离地球最近的恒星，因而太阳上的各种活动现象与人类的活动有着密切的关系。太阳上的爆发活动会形成高能粒子和向外传播的抛射结构等，它们传播到达地球和行星后，会对地球和行星所处的空间环境产生剧烈的扰动，引发灾害性空间天气事件。太阳爆发活动主要包括耀斑、日珥（暗条）爆发以及日冕物质抛射三类，这些现象彼此并非独立，通常认为他们是太阳上的日冕磁通量绳（磁绳）结构的爆发过程在不同空间范围内的具体的表现形式。因此，研究磁绳的爆发驱动机制，对于太阳爆发活动预报乃至空间天气预报都具有重要的科学意义。

对于太阳爆发活动而言，太阳大气磁场中的磁自由能是爆发的主要能量来源，因此，在以往的研究中，围绕太阳磁场的演化如何驱动磁绳产生爆发进行了深入的探讨。值得注意的是，日冕磁绳内部并非真空，其中填充着大量的等离子体，因此磁绳是有质量的。同时，大量的研究已经证实，磁绳的质量并非一成不变，而是处于高度动态演化中。考虑到磁绳受到的重力会对磁绳起到致稳作用，处于高度动态演化的磁绳质量可能会对磁绳的平衡性和稳定性产生深远的影响。然而，在以往的研究中，较少涉及质量演化与太阳爆发活动的关系，这制约了对太阳爆发的物理图像的进一步深入探究。

为此，研究团队利用磁流体力学数值模拟，对于磁绳质量在磁绳演化过程中所发挥的作用进行了系统的理论研究。首先，从典型的日冕背景场（图1a）出发，构建日冕磁绳系统（图1b），并以此作为数值模拟研究的初态。然后从初态出发，不断减少磁绳的质量，计算磁绳系统对应的平衡态，得出相应的磁绳的轴线高度（图1g中的红色圆点）和系统中的磁能（图1h中的红色圆点）。通过分析模拟结果，可以发现，磁绳的质量存在着一个特征值，如图1g和图1h中的红色虚线所示。当磁绳的质量减小到这个特征值时，磁绳会发生向上的跳变，这是一个爆发性的灾变过程。同时，对磁绳系统总磁能的分析结果表明，灾变前的系统的总磁能高于灾变后系统的总磁能，而且在灾变时系统磁能同样发生了跳变。因此，这里的结果表明，磁绳质量的减少会驱动磁绳产生爆发，同时伴随着磁能的释放过程。

进一步，从磁绳的悬浮状态出发，反向增加磁绳的质量并计算相应的平衡态，得到的结果如图1g和图1h中蓝色圆点所示。可以看到，磁绳的质量还存在着另一个特征值，当磁绳的质量增加到这个特征值时，磁绳会发生向下的跳变，即磁绳质量增加在磁绳系统中引发了束缚性的灾变过程。有趣的是，在这一过程中，磁绳系统中的总磁能是增加的，这与爆发性灾变过程截然不同。因此，这一过程可能对应于太阳爆发驱动前的能量积累过程。

以上的研究结果表明，磁绳的质量同样能够在太阳爆发活动的驱动和演化中发挥至关重要的作用。一方面，磁绳质量的减少可能直接诱发太阳爆发活动；另一方面，磁绳质量的增加可能引起束缚性灾变过程，在日冕磁绳系统中储存磁能。这一结果对于进一步拓展和完善太阳爆发驱动机制的理论框架具有科学意义。

图1. 质量变化所引起的磁绳演化过程的数值模拟结果。a.日冕背景场；b.构建的日冕磁绳系统；c-d.磁绳发生爆发性灾变前后的状态；e-f.磁绳发生束缚性灾变前后的状态；g.磁绳高度与磁绳质量的关系，其中红色对应减小质量发生爆发性灾变的结果，蓝色对应增大质量发生束缚性灾变的结果；h.磁绳系统的磁能与质量的对应关系，其中的颜色与图1g一致。

 上述成果发表于国际权威学术期刊The Astrophysical Journal，论文的第一作者和通讯作者为中国科学技术大学的张全浩副教授。该研究获得了中国科学院战略先导专项（XDB41000000, XDA15017300），国家自然科学基金（NSFC 41804161, 42174213）等项目的资助，以及国家科技基础条件平台-国家空间科学数据中心（http://www.nssdc.ac.cn）提供的平台和经费支持。

论文信息：

Zhang, Q., Liu, R., Wang, Y., Li, X., & Lyu, S. (2021). Confined and eruptive catastrophes of solar magnetic flux ropes caused by mass loading and unloading. The Astrophysical Journal, 921(2), 172. DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac1fef