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揭示太阳加热的多彩科学


太阳物理学金块包括一系列的初步科学成果、新的研究技术以及仪器方面的进展,它们让我们对太阳以及地球周围变化的空间天气系统的了解更上一层楼。

科学关键且经常被低估的一面是,如何将原始数据转化成实用且易于理解的信息,这通常是通过图表和图片来实现的。从基于夜间测量视位置来绘制行星轨道图到为X射线等非可见光着色以绘制太阳的“照片”,都要用到这样的可视化方法。

当然,更多的信息需要更复杂的可视化技术,有时这样的图片不仅包含了丰富的信息,看起来也很漂亮。


左图:这是NASA的太阳动力学天文台(Solar Dynamics Observatory,SDO)在2010年6月19日拍摄的图片,其中展示了发出171埃辐射的区域(以黄色表示)。左图对应的日面全图请点击(图片提供:NASA/SDO)右图:这张基于左图的可视化图像使用特定的颜色来表示在12小时的时间段内太阳上发生冷却或者加热的区域。红色和黄色表示开始时高温占主导,后期低温占主导,意味着这段时间内该区域持续降温,不过任何发生得过快的瞬时加热是不能被测量出来的。该图是通过比较211埃(对应温度是200万开尔文)与171埃(表示的物质温度比前者低10倍)得出的。右图对应的大图请点击(图片提供:NASA/Viall)

马里兰州格林贝尔特(Greenbelt)NASA戈达德太空飞行中心的太阳科学家尼古连·维埃尔(Nicholeen Viall)开发的新技术正是如此。她得出的太阳影像类似于梵高的绘画,图中在黄色的背景之上溅洒着色彩明亮的宽阔条带。不过这是科学而非艺术。每个像素的颜色都包含着在12小时的时间段内太阳上某点冷却与加热的大量信息。这样的热历史蕴涵着揭示驱动太阳大气(日冕)温度与运动机制的信息。

维埃尔说:“我们不知道日冕高温的原因。日冕的温度是太阳表面的1000倍,而与空气距离火炉越远温度越低类似,大气距离炽热的太阳越远,温度本应越低。”维埃尔撰写的关于该技术以及针对日冕总结的论文2012年6月12日在线发表在《天体物理学报》杂志上。

科学家通常认为,太阳上动荡的磁场应该让能量发生了转移并将大气加热,不过这一过程的细节仍旧是争议的话题。维埃尔发明这一方法就是为了看一看是否能区分认为日冕随时间均匀加热的理论以及认为太阳表面无数微耀斑加热了日冕的理论。

为了从全新的视角来观看日冕,维埃尔使用NASA的太阳动力学天文台(SDO)拍摄的高分辨率照片发明了一种新的影像。SDO的大气成象仪(Atmospheric Imaging Assembly,AIA)可以提供10个不同波段上的太阳照片,每个波段都对应一种温度的物质。因此举例来说,当观看171埃的图像时,你看到的是太阳大气中温度为100万开尔文的全部物质。如果在不同波段上观看太阳上的同一区域,你就可以了解不同区域的物质是如何改变温度的。如果在1小时之前某一区域在对应高温的波段上看起来很明亮,随后在对应低温的区域上看起来很明亮,你就能收集该区域随时间变化情况的信息了。

为了研究这样的温度变化,许多科学家将精力集中于分析太阳的某一小部分,如从日面上跃起的巨型带电粒子弧(冕环)。科学家通过比较不同波段上几乎同时拍摄的照片来搜集冕环的信息。分析各张照片上的冕环需要进行耗时甚长的手工计算,以扣除远离冕环的背景,这一过程当然也不可避免地受人工判断和偏差的影响。另外,每张独立的照片只能给出很窄一个波段上的情况,对应的物质温度也在很窄的范围内。

维埃尔希望能研究日冕某一区域内尽可能多的太阳物质,同时考虑不同温度的信息。她还希望能回避主观的扣除背景过程。她转而决定研究太阳上某一点同一时刻发出的所有辐射。这意味着她需要一种能够同时传递这些信息的可视化手段,因此梵高绘画一般的图像诞生了。

对于太阳上某个感兴趣的地方,维埃尔在整个12小时的时间段内检查了6个波段上的情况。她将每个波段与其他波段彼此比较,如果该区域被冷却,则以红色、橙色或黄色来表示,如果该区域被加热,则以蓝色或绿色来表示。她以不同的深浅来表示温度变化发生的时间。

维埃尔说:“本质上说,我测量的是给定区域加热或冷却的时间延滞。不过总的来说这是自动的过程,不需要人来决定考虑或者忽略什么。太阳上所有的物质都以统计的方式呈现,而不仅仅是通过一个波段。”

维埃尔的图像中含有大量的红色、橙色和黄色,这表示在12小时的时间段内,物质看起来是被冷却的。由于日冕并不是一直降温直到零度的,显然加热过程也是必然存在的。如果整个日冕中存在任何持续的加热过程,必然会显现在在维埃尔的图像中,因此她总结道,加热必然是迅速爆发式的,发生得很快,并没有在她的图像中展现出来。这说明,认为大量微爆发的能量帮助加热日冕的理论可能是正确的。

(全文完)


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