當(dāng)我們烤火時(shí)，離火源越遠(yuǎn)，溫度越低。如果把太陽的核心看作一個(gè)火源，同樣滿足這一規(guī)律嗎?

由于太陽的能量來自其內(nèi)部核心區(qū)域的核聚變反應(yīng)，按照熱力學(xué)第二定律，離太陽核心越遠(yuǎn)，溫度應(yīng)該越低。事實(shí)上，從太陽核心到太陽表面(光球?qū)?，溫度從大約1500萬攝氏度下降到了約5500攝氏度，確實(shí)滿足這一定律。然而，從光球?qū)釉偻鈺r(shí)，溫度卻反常升高，日冕層(太陽的最外層大氣)的溫度甚至高達(dá)百萬攝氏度。

日冕高溫是如何產(chǎn)生和維持的?這就是日冕加熱的問題，是太陽物理和空間物理領(lǐng)域長期以來懸而未決的難題之一。2012年，日冕加熱問題被《科學(xué)》雜志選為當(dāng)代天文學(xué)的八大未解之謎之一。

日前，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授田暉領(lǐng)導(dǎo)的課題組及其國際合作伙伴在《科學(xué)》雜志發(fā)表了一項(xiàng)研究結(jié)果，為窺探日冕高溫的奧秘提供了一個(gè)新窗口。

“小噴泉”提供破解謎題的線索

最早，日冕是在日全食發(fā)生時(shí)被發(fā)現(xiàn)的。日冕亮度大約是太陽表面的百萬分之一，當(dāng)月亮完全擋住太陽的盤面時(shí)，微弱的日冕輻射才能夠被人們所觀測到。

上世紀(jì)中葉，人們發(fā)現(xiàn)日冕中存在高次電離的鐵離子，推斷日冕的溫度高達(dá)百萬度，比太陽表面的溫度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

當(dāng)人們對(duì)太陽的色球?qū)优恼諘r(shí)，通常可以發(fā)現(xiàn)太陽的邊緣有很多毛刺狀的噴流，即位于光球?qū)雍腿彰嶂g的針狀物。這些寬度通常只有200千米左右(太陽半徑約70萬千米)的針狀物，間歇性地從太陽表面噴射到日冕中。田暉告訴科技日?qǐng)?bào)記者，任何時(shí)候，太陽表面都存在著約百萬個(gè)針狀物。

“針狀物像噴泉一樣向外運(yùn)動(dòng)，所以其軌跡呈細(xì)長狀。由于下方色球背景物質(zhì)發(fā)出的氫原子Hα譜線輻射向外傳輸時(shí)被針狀物吸收，所以在Hα圖像中針狀物看起來是暗的。”田暉稱，針狀物是磁重聯(lián)將位于低層大氣(色球)的物質(zhì)加速向外拋出時(shí)形成的。“被拋出的物質(zhì)包括中性原子、電子和離子等溫度約1萬攝氏度的物質(zhì)。”

2014年，田暉等人根據(jù)界面層成像光譜儀衛(wèi)星(IRIS)的觀測數(shù)據(jù)，在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文指出，很大一部分針狀物被加熱到了至少10萬攝氏度左右。此外，一些觀測也顯示，部分針狀物可能會(huì)被加熱到百萬攝氏度的量級(jí)。“這些研究表明，針狀物在日冕的物質(zhì)和能量供應(yīng)中起到了非常重要的作用，了解其產(chǎn)生和傳輸過程是解決日冕加熱問題的關(guān)鍵。”田暉說。

不過，人們對(duì)針狀物的產(chǎn)生機(jī)制莫衷一是。田暉告訴記者，很多學(xué)者提出了多種針狀物產(chǎn)生的理論模型，這些模型中的核心物理過程包括了慢激波、阿爾芬波、中性氣體與電離氣體之間的相互作用、片狀磁場結(jié)構(gòu)的扭曲、渦旋運(yùn)動(dòng)、相反方向磁場結(jié)構(gòu)之間的磁重聯(lián)等。

然而，這些說法幾乎都沒有獲得太陽物理界的普遍認(rèn)同。主要是因?yàn)槿狈χ苯拥挠^測證據(jù)來證實(shí)。受限于過去望遠(yuǎn)鏡的分辨率和靈敏度，觀測針狀物的產(chǎn)生過程極其困難。

大口徑太陽望遠(yuǎn)鏡功不可沒

田暉及其博士后檀摩耶·薩曼塔(Tanmoy Samanta)等與美國大熊湖天文臺(tái)合作，利用美國古迪太陽望遠(yuǎn)鏡對(duì)太陽寧靜區(qū)(除去黑子及其周圍譜斑以外的區(qū)域)針狀物的產(chǎn)生機(jī)制和加熱過程進(jìn)行了觀測。

利用氫原子Hα譜線，課題組對(duì)針狀物進(jìn)行了長時(shí)間(約3.5秒)和高空間分辨率(約45千米)的成像觀測研究。通過測量鐵原子1.56微米譜線的偏振輪廓，課題組獲得了光球深處磁場演化的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，磁圖的空間分辨率達(dá)150千米左右。

在詳細(xì)分析數(shù)據(jù)后，他們發(fā)現(xiàn)，不同極性磁場結(jié)構(gòu)之間的相互作用與針狀物的產(chǎn)生緊密相關(guān)。這些針狀物通常產(chǎn)生于太陽上一種對(duì)流單元邊界處的強(qiáng)磁場區(qū)域(稱為網(wǎng)絡(luò)組織)附近。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組織附近出現(xiàn)相反極性的小尺度弱磁場結(jié)構(gòu)時(shí)，通常針狀物便會(huì)產(chǎn)生。一些相反極性的磁場結(jié)構(gòu)在與網(wǎng)絡(luò)組織的磁場靠近的過程中逐漸變小并最終消失，在此過程中觀測到伴隨的針狀物活動(dòng)。

“這些觀測結(jié)果為磁重聯(lián)驅(qū)動(dòng)針狀物的觀點(diǎn)提供了強(qiáng)有力的支持。”田暉稱，磁重聯(lián)是等離子體中磁場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致磁場的能量釋放出來加熱和加速物質(zhì)的一種物理過程。

太陽上普遍存在小尺度的磁流浮現(xiàn)(即磁場結(jié)構(gòu)從太陽內(nèi)部上浮到太陽大氣中)過程。“當(dāng)這些新浮現(xiàn)出來的小尺度磁場結(jié)構(gòu)靠近強(qiáng)磁場的網(wǎng)絡(luò)組織，并且二者接觸面上磁場極性相反時(shí)，便可能發(fā)生磁重聯(lián)。”田暉說。

磁重聯(lián)將位于低層大氣的物質(zhì)加速向外拋出，形成針狀物。這與當(dāng)前最流行的兩種針狀物產(chǎn)生機(jī)制(磁流體激波、中性與電離成分之間的相互作用)截然不同。這一圖像也與現(xiàn)有的幾個(gè)磁重聯(lián)驅(qū)動(dòng)針狀物的數(shù)值模型所描述的圖像不同。

美國太陽動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)衛(wèi)星(SDO)上搭載的大氣成像望遠(yuǎn)鏡(AIA)也對(duì)古迪太陽望遠(yuǎn)鏡的觀測區(qū)域進(jìn)行了觀測。其數(shù)據(jù)顯示，針狀物上端出現(xiàn)了增強(qiáng)的171 輻射(主要來自Fe8+離子，產(chǎn)生于100萬攝氏度左右的環(huán)境中)，表明針狀物在傳播過程中被加熱到了百萬度的量級(jí)。

田暉表示，過去對(duì)太陽邊緣和日面活動(dòng)區(qū)(黑子周圍區(qū)域)的少數(shù)觀測顯示，太陽低層大氣的噴流會(huì)導(dǎo)致局地日冕的加熱。本次對(duì)日面上最普遍的寧靜區(qū)的觀測表明，針狀物被加熱到日冕溫度是一種非常普遍的現(xiàn)象。

重新梳理日冕高溫成因研究思路

“針狀物在向外傳輸過程中的加熱機(jī)制仍不清楚，需要未來深入研究。”田暉稱，可能的機(jī)制包括等離子體波的耗散，電流的耗散，湍流的作用等。

專家表示，這一成果重新梳理了日冕加熱的研究思路。“過去，大家通常僅在日冕觀測中尋找加熱的蛛絲馬跡，相關(guān)理論研究也大多探討日冕中的物理過程。而這一成果表明，日冕加熱與太陽低層大氣中的磁活動(dòng)密切相關(guān)，要揭開日冕加熱的神秘面紗，必須要關(guān)注能量和物質(zhì)從低層大氣往外傳輸?shù)倪^程，即需要著眼于太陽各層大氣之間的耦合。”田暉告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

這一研究成果將促進(jìn)日冕加熱和磁重聯(lián)的有關(guān)理論和數(shù)值模擬研究。太陽低層大氣是部分電離的，有大量中性氣體，這種環(huán)境下磁重聯(lián)的特征與完全電離環(huán)境下的有何不同，仍需進(jìn)一步研究。

田暉表示，日冕的高溫是太陽風(fēng)形成的直接原因，而太陽風(fēng)充斥于各大行星之間的區(qū)域之中，可以說是太陽系中的基本介質(zhì)。“如果日冕的溫度沒有這么高，那么太陽就不會(huì)發(fā)出太陽風(fēng)，行星際空間基本就是真空了。所以了解日冕高溫形成的原因非常重要。”

此外，理解日冕的高溫對(duì)于我們理解宇宙中其他類似現(xiàn)象也有所啟示。“許多恒星與太陽一樣，有溫度遠(yuǎn)高于其表面的星冕。黑洞吸積盤周圍也可能存在高溫的冕層。我們的觀測結(jié)果為理解它們的成因也提供了參考。”田暉解釋道。

田暉坦言，這次研究取得突破，得益于地基和空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)太陽大氣不同層次(不同溫度)的協(xié)同觀測。“未來3年，我國的先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)(ASO-S)、歐洲的太陽環(huán)繞器(Solar Orbiter)、印度的Aditya-L1等衛(wèi)星將要發(fā)射，這些大設(shè)備將在多個(gè)電磁波段對(duì)太陽大氣進(jìn)行高分辨率和高靈敏度的觀測，將幫助我們進(jìn)一步理解日冕加熱與低層大氣磁活動(dòng)的關(guān)系。”(代小佩)

標(biāo)簽： 日冕高溫