太阳上的“小喷泉”可能是造成日冕高温的"元凶"
来源:科普中国
发布时间:2019-12-18
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 当我们烤火时,离火源越远,温度越低。如果把太阳的核心看作一个火源,同样满足这一规律吗?

  由于太阳的能量来自其内部核心区域的核聚变反应,按照热力学第二定律,离太阳核心越远,温度应该越低。事实上,从太阳核心到太阳表面(光球层),温度从大约1500万摄氏度下降到了约5500摄氏度,确实满足这一定律。然而,从光球层再往外时,温度却反常升高,日冕层(太阳的最外层大气)的温度甚至高达百万摄氏度。

  日冕高温是如何产生和维持的?这就是日冕加热的问题,是太阳物理和空间物理领域长期以来悬而未决的难题之一。2012年,日冕加热问题被《科学》杂志选为当代天文学的八大未解之谜之一。

  日前,北京大学地球与空间科学学院教授田晖领导的课题组及其国际合作伙伴在《科学》杂志发表了一项研究结果,为窥探日冕高温的奥秘提供了一个新窗口。

  “小喷泉”提供破解谜题的线索

  最早,日冕是在日全食发生时被发现的。日冕亮度大约是太阳表面的百万分之一,当月亮完全挡住太阳的盘面时,微弱的日冕辐射才能够被人们所观测到。

  上世纪中叶,人们发现日冕中存在高次电离的铁离子,推断日冕的温度高达百万度,比太阳表面的温度高两个数量级以上。

  当人们对太阳的色球层拍照时,通常可以发现太阳的边缘有很多毛刺状的喷流,即位于光球层和日冕之间的针状物。这些宽度通常只有200千米左右(太阳半径约70万千米)的针状物,间歇性地从太阳表面喷射到日冕中。田晖告诉科技日报记者,任何时候,太阳表面都存在着约百万个针状物。

  “针状物像喷泉一样向外运动,所以其轨迹呈细长状。由于下方色球背景物质发出的氢原子Hα谱线辐射向外传输时被针状物吸收,所以在Hα图像中针状物看起来是暗的。”田晖称,针状物是磁重联将位于低层大气(色球)的物质加速向外抛出时形成的。“被抛出的物质包括中性原子、电子和离子等温度约1万摄氏度的物质。”

  2014年,田晖等人根据界面层成像光谱仪卫星(IRIS)的观测数据,在《科学》杂志上发表论文指出,很大一部分针状物被加热到了至少10万摄氏度左右。此外,一些观测也显示,部分针状物可能会被加热到百万摄氏度的量级。“这些研究表明,针状物在日冕的物质和能量供应中起到了非常重要的作用,了解其产生和传输过程是解决日冕加热问题的关键。”田晖说。

  不过,人们对针状物的产生机制莫衷一是。田晖告诉记者,很多学者提出了多种针状物产生的理论模型,这些模型中的核心物理过程包括了慢激波、阿尔芬波、中性气体与电离气体之间的相互作用、片状磁场结构的扭曲、涡旋运动、相反方向磁场结构之间的磁重联等。

  然而,这些说法几乎都没有获得太阳物理界的普遍认同。主要是因为缺乏直接的观测证据来证实。受限于过去望远镜的分辨率和灵敏度,观测针状物的产生过程极其困难。

  大口径太阳望远镜功不可没

  田晖及其博士后檀摩耶·萨曼塔(Tanmoy Samanta)等与美国大熊湖天文台合作,利用美国古迪太阳望远镜对太阳宁静区(除去黑子及其周围谱斑以外的区域)针状物的产生机制和加热过程进行了观测。

  利用氢原子Hα谱线,课题组对针状物进行了长时间(约3.5秒)和高空间分辨率(约45千米)的成像观测研究。通过测量铁原子1.56微米谱线的偏振轮廓,课题组获得了光球深处磁场演化的高质量数据,磁图的空间分辨率达150千米左右。

  在详细分析数据后,他们发现,不同极性磁场结构之间的相互作用与针状物的产生紧密相关。这些针状物通常产生于太阳上一种对流单元边界处的强磁场区域(称为网络组织)附近。当网络组织附近出现相反极性的小尺度弱磁场结构时,通常针状物便会产生。一些相反极性的磁场结构在与网络组织的磁场靠近的过程中逐渐变小并最终消失,在此过程中观测到伴随的针状物活动。

  “这些观测结果为磁重联驱动针状物的观点提供了强有力的支持。”田晖称,磁重联是等离子体中磁场拓扑结构发生改变,导致磁场的能量释放出来加热和加速物质的一种物理过程。

  太阳上普遍存在小尺度的磁流浮现(即磁场结构从太阳内部上浮到太阳大气中)过程。“当这些新浮现出来的小尺度磁场结构靠近强磁场的网络组织,并且二者接触面上磁场极性相反时,便可能发生磁重联。”田晖说。

  磁重联将位于低层大气的物质加速向外抛出,形成针状物。这与当前最流行的两种针状物产生机制(磁流体激波、中性与电离成分之间的相互作用)截然不同。这一图像也与现有的几个磁重联驱动针状物的数值模型所描述的图像不同。

  美国太阳动力学天文台卫星(SDO)上搭载的大气成像望远镜(AIA)也对古迪太阳望远镜的观测区域进行了观测。其数据显示,针状物上端出现了增强的171 Å辐射(主要来自Fe8+离子,产生于100万摄氏度左右的环境中),表明针状物在传播过程中被加热到了百万度的量级。

  田晖表示,过去对太阳边缘和日面活动区(黑子周围区域)的少数观测显示,太阳低层大气的喷流会导致局地日冕的加热。本次对日面上最普遍的宁静区的观测表明,针状物被加热到日冕温度是一种非常普遍的现象。

  重新梳理日冕高温成因研究思路

  “针状物在向外传输过程中的加热机制仍不清楚,需要未来深入研究。”田晖称,可能的机制包括等离子体波的耗散,电流的耗散,湍流的作用等。

  专家表示,这一成果重新梳理了日冕加热的研究思路。“过去,大家通常仅在日冕观测中寻找加热的蛛丝马迹,相关理论研究也大多探讨日冕中的物理过程。而这一成果表明,日冕加热与太阳低层大气中的磁活动密切相关,要揭开日冕加热的神秘面纱,必须要关注能量和物质从低层大气往外传输的过程,即需要着眼于太阳各层大气之间的耦合。”田晖告诉科技日报记者。

  这一研究成果将促进日冕加热和磁重联的有关理论和数值模拟研究。太阳低层大气是部分电离的,有大量中性气体,这种环境下磁重联的特征与完全电离环境下的有何不同,仍需进一步研究。

  田晖表示,日冕的高温是太阳风形成的直接原因,而太阳风充斥于各大行星之间的区域之中,可以说是太阳系中的基本介质。“如果日冕的温度没有这么高,那么太阳就不会发出太阳风,行星际空间基本就是真空了。所以了解日冕高温形成的原因非常重要。”

  此外,理解日冕的高温对于我们理解宇宙中其他类似现象也有所启示。“许多恒星与太阳一样,有温度远高于其表面的星冕。黑洞吸积盘周围也可能存在高温的冕层。我们的观测结果为理解它们的成因也提供了参考。”田晖解释道。

  田晖坦言,这次研究取得突破,得益于地基和空间望远镜对太阳大气不同层次(不同温度)的协同观测。“未来3年,我国的先进天基太阳天文台(ASO-S)、欧洲的太阳环绕器(Solar Orbiter)、印度的Aditya-L1等卫星将要发射,这些大设备将在多个电磁波段对太阳大气进行高分辨率和高灵敏度的观测,将帮助我们进一步理解日冕加热与低层大气磁活动的关系。”

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