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解开太阳物理的最大谜题

人类古往今来就对太阳有各种崇拜和歌颂。这颗距离我们约1.5亿公里的恒星,为整个人类的栖息和繁衍提供着足够的光、热和能量。但尽管我们已经对这颗维持我们生命的母星进行了深广的研究,仍然有许多谜题等待被揭开。

在众多与太阳有关的谜团之中,最大、困扰了我们最久的一个问题是:为什么太阳的外层大气比它炽热的表面温度还要高?当你远离热源时,反而变得更热?这听起来确实匪夷所思!在太阳的外层大气,物质的密度只有太阳表面的是万亿分之一,但是温度却有几百万度,要知道太阳表面的温度也只有几千度而已。

○ 从太阳表面到日冕,温度从几千度跃升到了上百万度。| 图片来源:[1]

这种现象背后的物理学原理究竟是什么?6月4日,密歇根大学的研究人员在《天体物理学报通信》发表了最新的研究成果,他们认为这个问题的答案已经被找到。但是,要想验证他们的想法,还需有一位“勇士”的帮助。这位勇士的名字叫做“帕克太阳探测器”。

帕克太阳探测器于2018年8月发射升空,在2018年11月与太阳进行了第一次交会——它已经比任何其他人造物体都更接近太阳。

而大约在两年后,帕克太阳探测器将成为第一艘进入太阳周围区域的人造飞船,在那片区域,加热过程将于以往在太空中看到的截然不同。这样,密歇根大学的研究人员就能验证他们的理论:加热是由于小的电磁波在那片区域内来回传播所导致的

解开这个谜题当然很重要,因为它可以使科学家更好地理解和预测太阳气象,这对我们来说非常关键,因为太阳天气会对地球的电网构成严重威胁。研究的第一步就是确定太阳外层大气的加热是从哪里开始和哪里结束的——这是一个众说纷纭的谜题。

一旦进入这个区域,帕克太阳探测器将能直接测量那里的磁场和粒子,从而确定是什么导致了加热

在这片太阳表面以上的“优先加热区(zone of preferential heating)”里,温度整体升高。更奇怪的是,一些单个化学元素会被加热到不同的温度,或者被优先加热。而一些重离子(或带电粒子)会被过度加热,直到它们的温度是这个区域中的氢的10倍——这比太阳的核心还要热。

○ 优先加热区。| 图片来源:[1]

如此高的温度会导致太阳大气膨胀到比太阳直径高出许多倍的大小,这也是为什么我们在日食期间能看到日冕扩大的原因。密歇根大学气候与空间科学教授Justin Kasper是帕克任务的首席研究员,他表示,从这个角度来讲,对于天文学家来说,日冕的加热之谜已经有500多年的历史了,即使直到上个世纪才发现它的温度如此之高。

这个区域的特征是在它的最外层边缘和太阳表面之间,来回回荡着磁流“阿尔文波(Alfvén waves)”。在最外层的边缘(被称为阿尔文点太阳风的速度比阿尔文速度更快,因此阿尔文波便无法再返回到太阳。

○ 阿尔文波是磁场内导电流体(比如等离子体)中的小磁波。在加热区的边缘,太阳风(从太阳释放出的带电粒子流)移动的足够快,使阿尔文波无法回到太阳。| 图片来源:[1]

Kasper说:“当你处于阿尔文点以下时,你就处于这片汹涌的波的海洋中。”带电粒子会因为来自四面八方的波而发生偏转和加速。

为了估算出这种优先加热停止的位置,研究小组检查了NASA的风航天器(Wind spacecraft)对太阳风进行的数十年的观测结果。他们研究了氦在接近太阳时所升高的温度,有多少是由于太阳风在向地球方向传播时,太阳风中的离子发生碰撞而被冲掉的。通过观察氦的温度衰减,研究人员便可以测量到该区域外边缘离太阳的距离。

Kasper说:“我们收集了所有的数据,然后把它们视作秒表,计算出自太阳风过热以来已经过去了多少时间。由于我们知道风的速度,因此就能把这个信息转换成距离。”

这些计算结果表明,过热区的外围边缘距离太阳表面大约有10-50个太阳半径。看起来这个数值范围的跨度很大,但由于目前只能通过估算来猜测这些数值,因此已经无法得到更确切的答案了。

起初,Kasper并没有想到要将他对这一区域位置的估计值与阿尔文点进行比较,但他想知道,这个边界是否是由太空中的一个具有物理意义的位置所产生的。当他了解到阿尔文点和其他一些表面与太阳活动的扩张和收缩有关之后,他和另一位合作者Kristopher Klein重新分析了他们的计算,他们不再考虑整个风航天器的任务,而是关注年复一年的变化。

Kasper说:“令我震惊的是,优先加热区的边界和阿尔文点在以完全可预测的模式同步移动,尽管对它们的计算是独立进行的。如果把它们的图形叠加,就会看到它们随着时间的推移在做着完全相同的事。”

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○ 从2007年至2016年,阿尔文点和优先加热区的位置变化。| 图片来源:[1]

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