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揭秘太阳

2020-09-29 中国青年报 叶雨婷
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  根据势场源表面模型计算得到的太阳三维磁场结构。不同颜色的线代表磁力线,中间为光球磁场在视线方向上的分量分布图(Yang, Tian, Tomczyk, et al. 2020, Sci China Tech Sci

  CoMP测量的日冕磁场强度分布图叠加在SDO卫星拍摄的日冕图像上(Yang, Bethge, Tian, Tomczyk, et al. 2020, Science)。本文图片由受访者田晖供图

  它给予我们光与热,为世间万物赋予生命的色彩,主宰着麾下的所有行星……它,就是太阳。

  每个人都会认为自己很熟悉这个顶在头上的“大光球”。可是很少有人知道,太阳,这个太阳系的中心天体,占有太阳系总体质量的99.86%,包括地球在内的所有行星都依赖着它而存在,是太阳系的主宰,并且控制着行星际空间和地球空间的洪荒变迁。

  正因如此,天文学家们一直孜孜不倦地努力揭开太阳的奥秘。然而,这么多年过去了,人类对于太阳一些性质的了解依然有限。不久前,北京大学地球与空间科学学院教授、中国科学院太阳活动重点实验室主任田晖及其研究生杨子浩同学等人在日冕磁场测量方面取得重要进展。他们首次测量得到日冕磁场的全局性分布,也让人们对于太阳的了解更进一步。

  星系主宰

  科学家们为什么一定要了解太阳?这是因为,毫不夸张地说,太阳是我们太阳系的主宰。

  太阳不仅是地球上生命存在的关键,也在塑造我们周围的空间环境方面发挥了重要作用,更是掌控着整个太阳系的“天气”。而对于太阳来说,磁场具有极其重要的意义。

  田晖介绍说:“太阳磁场一直延伸到冥王星之外的日球层边界,太阳还以每秒数百公里的速度往外发射带电粒子流,形成所谓的太阳风。太阳上的局部区域时不时也会发生太阳爆发,当这些太阳风暴猛烈袭击地球时,会产生美丽的极光,但同时也会干扰通信和导航系统,影响卫星及星载仪器的正常运行,甚至威胁宇航员的生命安全。”

  虽然太阳离我们很远,但地球作为太阳系中的一颗行星,时常会在太阳面前“战战兢兢”。例如,1989年的一场太阳风暴,就曾严重影响多颗卫星及星载仪器的正常运行,并造成加拿大魁北克省电力系统崩溃,北美地区数百万人受到影响。类比地面上的天气,太阳风暴及其对日地空间环境的扰动被称为空间天气。

  “研究太阳,可以让我们对空间天气有更深的理解。目前,人们对于太阳风暴依然难以准确地预测,这对人类社会众多高技术系统的正常运行带来了很大影响。如果我们能够对太阳各层大气的磁场及其演化有深入了解,就可以较好地预测太阳风暴的发生及其对地球的影响。”田晖告诉中青报·中青网记者。

  而对于太阳本身来说,磁场是它最基本的属性之一。首先,太阳黑子的11年周期本质上是太阳大尺度磁场的周期性转化;其次,太阳系中最剧烈的爆发现象——太阳耀斑和日冕物质抛射通常是由太阳磁场的演化所驱动的;最后,与磁场相关的物理过程导致了太阳外层大气——日冕的百万度高温,并因此产生充满行星际空间的超声速太阳风。

  因此,测量太阳磁场一直都是太阳物理学家最重要的使命之一。自17世纪初伽利略用望远镜观测和研究太阳算起,太阳物理的科学研究已经持续了数百年。然而受限于观测技术的水平,到20世纪初期,人类才开始利用原子物理领域的塞曼效应来测量太阳磁场。直到最近二三十年,人类才实现对太阳表面(光球层)磁场的高分辨率常规测量。

  揭秘日冕

  “然而迄今为止,我们对太阳磁场的成熟测量仅仅局限在光球层。”田晖表示,光球之上的太阳大气,尤其是最外层的日冕,其中的磁场仍难以测量。“100多年来,人们对于日冕磁场的研究进展非常缓慢,难以找到有效方法进行常规测量。因此,测量日冕磁场成了一个切切实实的世纪难题。”田晖说。

  田晖解释说,这是因为,日冕磁场比光球磁场要弱得多,日冕谱线因塞曼效应而分裂所产生的子线之间波长差很小;另外,日冕的高温导致日冕谱线的轮廓变得很宽,使本来就不明显的谱线分裂更加难以被测量出来。

  由于太阳大气各层次中的磁场实际上是一个整体,磁场将各层大气耦合在一起,这导致太阳上最重要的物理过程大多跟磁场的三维结构及其演化有关,因此,日冕磁场测量的困难极大地制约了太阳物理学科的发展。

  鉴于日冕磁场测量的困难,太阳物理学者通常只能在一些假设下,通过模型来重构出日冕磁场位形,用以研究太阳大气动力学和太阳爆发等物理过程。但是,这些模型假设对于日冕中的有些区域不一定成立,而且不同模型重构得到的磁场结构经常不一样。因此,人们急需对日冕磁场进行直接的测量。

  近年来,一种被称为“磁震学”的方法被一些学者认为可以用于诊断日冕磁场。其基本原理是根据一些日冕结构中偶尔发生的震荡或波动现象的观测,结合磁流体波动理论,来诊断日冕中的磁场。

  “由于这些震荡现象通常只是偶尔发生在日冕中很小的区域内,并且震荡经过几个周期后就衰减消亡了,因此只能诊断日冕中较小区域的磁场,无法用于对大视场范围内磁场的常规测量。”田晖说。

  田晖教授和他的团队,利用高山天文台CoMP日冕仪的观测,将“磁震学”方法推广应用到日冕中普遍存在的磁流体波动上,从而首次测量得到日冕磁场的全局性分布,为日冕磁场测量这一世纪难题的解决提供了一个新的有效途径。两篇相关论文近日分别发表在Science杂志(《科学》)和Sci China Tech Sci杂志(《中国科学:技术科学》)上。

  据了解,这一研究成果实现了用冕震学方法测量日冕磁场从点、线到面的飞跃,填补了全局性太阳磁场测量的空缺,从而向实现日冕磁场常规测量的最终目标迈进了一大步。田晖表示:“一方面,未来我们需要建造更大口径的日冕仪,从而获得更高信噪比的观测数据;另一方面,我们需要保持开放的心态,通过充分探索来发现更多的可用于测量日冕磁场的有效方法。”

  恒星探测

  除了地球,人类还能生活在什么地方?也许有人认为这只是科幻片里才会讨论的问题,但事实上,如今科学家们正在寻找除地球以外的宜居星球。

  要想找到像地球一样的宜居星球,这颗行星需要处于距离恒星远近合适的区域。在这一区域内,恒星传递给行星的热量适中,行星不会太热或太冷,可能存在液态水。此外,恒星的电磁辐射和爆发活动对系外行星的宜居性也有重要影响,这一新兴的领域被称为“空间天气宜居性”研究。

  “由于人类对其他恒星-行星系统的了解极少,因此当前空间天气宜居性的相关研究大多是基于我们对太阳和日地系统中空间天气的认识而发展起来的。太阳物理学者正积极推动这一新兴前沿研究领域的进展。”田晖表示,太阳的“脾气”相对较好,它状态稳定,爆发活动也没有那么频繁;但是很多其他的恒星却没有太阳这么好的脾气,频繁和剧烈的爆发足以影响环绕它们运行的系外行星上生命的存在。

  未来,一方面我们需要参考对太阳的探测手段,大力推动对恒星的探测;另一方面,日冕加热、太阳爆发和太阳活动周等重大问题依然困扰着我们,我们需要与世界各国一道,继续推动对太阳的探测,尤其是空间卫星探测。

  田晖表示,我国在太阳低层大气(包括光球和色球)的观测方面实力较强,但在太阳高层大气(包括日冕和过渡区)的观测方面远远落后于美国、日本、欧洲等。目前,我国的日冕光学观测设备仅有中日共建的丽江日冕仪。近年来,中国太阳物理界积极推动射电日像仪、白光和紫外日冕仪、极紫外成像仪和光谱仪、日食望远镜等日冕核心观测设备的研制,期望提升我国对太阳高层大气观测的能力。

  空间太阳探测一直是世界强国空间探测的重点,从1995年至今,美、欧、日等一共发射了近10颗太阳探测卫星,平均不到3年发射一颗。

  “我国首颗太阳探测卫星——先进天基太阳天文台(ASO-S)也将于2022年前后发射,它将同时对太阳爆发及驱动爆发的太阳磁场进行观测。中国的太阳物理学者也在持续推动后续的太阳和恒星探测卫星计划,以缩小我国与发达国家在空间探测方面的巨大差距。”田晖说。

打印 责任编辑:董凯悦
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