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微小耀斑 烤热太阳大气层

欧洲太阳轨道器在紫外线下拍摄到的太阳图像,揭示了太阳表面和大气中最热的部分。 图片来源:ESA & NASA

一项新太空任务正在帮助科学家解开一个关于太阳的谜团:为什么太阳稀薄的大气层比太阳表面温度高出近200倍。在4月27日举行的欧洲地球科学联盟(EGU)会议上,对由欧洲主导的太阳轨道飞行器所做的观察进行的分析显示,太阳表面上被称为“篝火”的微小耀斑,可能足以将其大气加热到惊人的高温。此次会议上的其他研究也支持科学家的这种假设,即主要是小型耀斑,而非大型耀斑造成了高温。

太阳的热量来自其核心的核聚变,越往外温度越低。然而,20世纪30年代,科学家发现,太阳的大气或日冕温度却高达100万摄氏度,远高于太阳表面的5500摄氏度。从那时起,他们便对此感到困惑。英国伦敦大学学院的Sarah Matthews说:“这仍然是太阳物理学中尚未解决的主要问题之一。”

其中一个主要猜想与太阳的湍流磁场有关。日冕由等离子体组成,后者是一种非常热的气体,足以使原子分崩离析,并在磁场的作用下产生由离子和电子构成的漩涡。

太阳望远镜可以看到日冕中活跃的区域,那里的磁场在太阳表面循环,并将超热的等离子体引导到大气中,然后又以地球上可见的弧形方式往回移动。偶尔,日冕活跃区域会产生耀斑、辐射和高能粒子,这些粒子有时会到达地球。研究人员认为,这些耀斑可能是在扭曲、充满应力的磁环折断并以较低应力的结构与其他磁环连接时爆发的,这个过程被称为磁重联,能够释放出大量能量。

但研究人员在20世纪60年代意识到,磁环和耀斑并没有提供足够的热量以保持日冕持续燃烧。因此,他们提出日冕中散布着大小各异的环状物和耀斑,这些耀斑大多小得看不见,它们以“积水成渊”之势贡献了流失的热量。美国宇航局(NASA)戈达德太空飞行中心的James Klimchuk说,经过这些年的积累,研究人员已经开发出一些巧妙的方法,通过集体效应来研究最微小的耀斑。但到目前为止,太阳望远镜只能看到最大的耀斑。

太阳轨道飞行器于1年前发射,载有6个望远镜和4个环境传感器。2020年5月,在仪器测试阶段,飞行器在太阳和地球之间摇摆。比利时皇家天文台的太阳物理学家、极端紫外成像仪(EUI)的主要研究员David Berghmans说,他们曾希望在7700万公里之外,利用探测器的极端紫外线成象仪观测到一些太阳小耀斑。“但我们没想到它们会如此显眼。”他说,在太阳表面安静的地方,“它就像北极的一棵棕榈树”。

今年2月,当太阳轨道飞行器再次接近太阳时,研究人员对“篝火”进行了第二次近距离观察,该团队仍在分析这些数据。到今年12月测试结束时,研究人员将能够通过多个仪器同时研究太阳释放的能量。“真正的工作是计算出数据。”欧空局首席研究员Daniel Müller说,“‘篝火’是否足以为安静的太阳供给能量?有迹象表明它们可以。”

一些理论也预测了其中的迹象。中国北京大学的陈亚杰和德国马克斯·普朗克学会太阳系研究所的Hardi Peter领导的研究团队,利用现有的太阳湍流表面模型,计算了日冕在类似2020年5月太阳卫星观测到的情况下的行为。他们在EGU会议上报告说,该模型产生的“亮度”在规模和持续时间上与较大的“篝火”非常相似。“我们检查的所有内容都吻合。”Peter说,该模型还表明,这种亮度是磁场重连的结果,产生了上百万度的温度,并对日冕加热有显著贡献。

其他工具也在帮助解决这个问题。印度塔塔基础研究所的研究人员利用默奇森·宽菲尔德阵列寻找太阳安静区域存在小耀斑的证据。他们在此次会议上说,在对太阳进行的70分钟观测期间,研究小组看到了许多明亮的闪光,每个闪光持续一秒或更短。“它从数据中跳跃出来。”Surajit Mondal说,该团队记录了大约20000次闪光。不过,Mondal承认,仅从无线电信号估计耀斑的能量是困难的,“但如果有这么多耀斑,它可以持续给日冕加热”。

日冕加热的秘密还没有揭开——除了小耀斑之外,可能还有其他过程增加了热量,但随着太阳轨道飞行器和2018年NASA发射的帕克太阳探测器开始工作,加上目前正在服役的夏威夷丹尼尔·井上太阳望远镜,在接下来的几年里,太阳物理学家将有最好的机会破解这个问题。

“‘篝火’是一个诱人的前景。”Matthews说,但科学家需要更多的数据,以确定它们有多少,会产生多少热量。Peter期待2022年的到来,届时太阳轨道飞行器的所有仪器将开始协同工作,并与地球或地球附近的望远镜进行联合观测。“那将会是令人兴奋的一年。”