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新研究有助揭示日冕高温之谜

12 12月 , 2019  

太阳表面存在一种叫做“针状体”的现象。这些“针”始于我们所看到的太阳表面,指向五到十公里的高空。它们携带着来自太阳的声音,转瞬即逝。实际上,太阳是一个气体星球,它的密度从内到外逐渐降低,并不存在一个清晰的表面。那么我们为什么会看到太阳的“表面”呢?当我们观察太阳的时候,光深(物质层的不透明性的量度)变为1的地方就是我们肉眼可见的边界,我们称之为光球,尽管它并不是一个真正意义上的表面。我们将光球外面成为太阳大气层,针状体将物质从太阳的可视表面传输到大气层最终到日冕中。针状体的温度约为5800-6000度,而日冕的温度可高达一百万度。就相当于厨房里的炉灶突然关闭,上方的空气会出现燃爆一样。

原标题:新研究有助揭示日冕高温之谜

作者:文/虞子期

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太阳表面温度约6000摄氏度,而日冕(太阳大气最外层)可达上百万摄氏度。中国科学家领导的国际科研团队14日发表最新研究报告,为揭示日冕温度远高于太阳光球表面温度这一长期未解之谜提供了一种有力解释。

在银河系中,有数十亿颗像太阳一样的恒星散落,地球之外的空间并非完全空洞,正如我们生活在太阳的扩展氛围中。太阳与地球之间相互作用,驱动了季节、洋流,辐射带和极光等现象的产生。从最大的行星,到轨道上最小的碎片颗粒,太阳的引力将太阳系固定在一起,其表面和大气也处于不断变化的状态。其广泛、动态的太阳大气,环绕着地球和其他行星,并且延伸到整个太阳系之中。科学家门通过观察整个太阳系中能量和粒子的流动情况,以解开恒星对在地球上生活的我们可能造成的各种影响。

针状体的出现伴随着能量传输,虽然这种能量传输不可见,但它可以被测量。实际上,大约有10万个针状体,每个都通过直径约为500千米的通道源源不断地将物质传输到色球层。在这我们需要讨论一下太阳上的天气和物质传输。这种物质传输是快速的,以5分钟为周期,且无数个针状体可以同时出现。日冕的超高温度就和这种从光球层到色球层的物质传输密切相关。如果我们能够飞行到太阳附近,我们将清楚地看到这些针状体,并观察到物质是如何上升、下降或以每小时8万公里的超高速度运动。运动速度为每小时8万公里,周期为5分钟,这些数字和日冕温度有什么关系?

日冕加热问题2012年被《科学》杂志列为当代天文学八大未解之谜之一。北京大学田晖教授课题组及其国际合作伙伴14日在美国《科学》杂志在线发表论文说,研究发现,从太阳内部上浮到太阳大气中的一种小尺度磁场结构,接触到磁场极性与之相反的强磁场网络组织时,会产生“磁重联”现象,将低层大气中的物质加速向外抛出,形成被称为“针状物”的毛刺状喷流。

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“磁重联”是等离子体中的一种物理过程,可释放巨大能量,在太阳耀斑、日冕物质抛射等强烈的太阳爆发活动中发挥着重要作用。

新研究有助揭示日冕高温之谜。是什么导致了太阳的不断变化

我们知道太阳会发出声音,如果我们离它足够近会听到山崩地裂和电闪雷鸣。我们之所以能听到声音,是因为声波足够强大。然而,太阳上的气体极为稀薄,导致声波震动微弱,我们并不能听到它们的声音。太阳上有声音这个结论,可以从气体谱线的移动上直接推导出来。
例如氢气和氧气,如果它们的谱线蓝移,说明它正在向我们移动;反之,红移意味着它们向远离观察者的方向移动。

研究团队利用美国大熊湖天文台口径为1.6米的古德望远镜,对太阳宁静区(太阳黑子及其周围谱斑以外的区域)进行观测,获得了光球深处磁场演化的高质量数据。观测结果为“磁重联”驱动针状物提供了迄今为止最强有力的支持。

太阳释放能量的方式有两种,一种就是我们常见的光线,在照射地球时使生命成为可能;
而另一种则表现得更加暴力,它会发出光线、粒子和磁场的爆发,以产生波纹效应,一直到太阳系的磁边。从几毫秒内发生的微小变化,到持续数小时或数天的太阳火山爆发,再到27天的旋转,在每个时间尺度上,太阳的活动和条件几乎都有所不同。太阳磁场每22年左右就会完全改变方向并返回,这便是导致太阳活动周期大约为11年的缘由,随着磁场变得更加复杂,它会随之在太阳表面附近释放能量。

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研究还发现,太阳表面和日冕之间的针状物呈现出细长的暗结构,针状物像喷泉一样从太阳表面喷射到日冕中,它们在太阳大气的物质和能量传输过程中可能起到了关键作用。

这些太阳爆炸,可以表现为太阳耀斑或日冕物质抛射的形式,甚至光速般地从太阳中冲出快速带电粒子的释放。下图便是在整个太阳周期的过程中,即太阳活动持续的11年中,大约每年一次显示的“极紫外波长”状况。对我们的眼睛而言,这种类型的光通常都是不可见的,但在这里以绿色着色。随着太阳周期向太阳最小角度倾斜,明亮的活动区域会变得越来越小,而活跃区域是大多数太阳爆发的来源,这意味着太阳活动和活动区域的数量都呈现出下降趋势。然后,随着活动周期的回升,这些明亮的活动区域又越来越多地覆盖太阳的面部,太阳活动随之开始变得越来越频繁。

通过观察谱线移动,我们可以巧妙地扫描太阳上的气体运动,就像医学上的多普勒断层术一样。通过对太阳的观察,我们发现了气体体积和压强的波动。气体的压强波动形成了声音,我们发现了不同频率的声音,其中一种“P”型声音,其周期恰好为5分钟。我们发现,当声波来自太阳内部,由于太阳的密度从内向外不断减小,声波的速度逐渐提高,最终声波的速度达到每小时80,000公里的,说明一些物质以令人难以置信的超高速度冲入太阳的大气中。

研究人员表示,针状物被加热到日冕温度是一种普遍现象。不过,它们向外传输过程中的加热机制还不清楚,仍有待进一步研究。

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太阳的扭转磁场,由带电材料的运动引起,被科学家们称为等离子体,从几毫秒到数十亿年,正是它导致了太阳在时间尺度上的不断变化。巨大的太阳火山爆发可持续数分钟至数小时,如太阳耀斑和日冕物质抛射,太阳的磁极大约每11年翻转一次,我们看到太阳黑子用数周的时间在其表面形成、生长和消失。几千年来,在任何给定时间,已知太阳的总能量输出都会发生变化。而生活在这颗恒星的扩展大气层中的我们,则更加需要了解驱动这种变化的原因。更重要的是,有关太阳能力的知识,有助于科学家们创建更好的模型,以预测它可能传递给我们辐射和能量的方式。

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