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          揭秘太陽

          2020-09-29 中國青年報 葉雨婷
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          語音播報

            根據勢場源表面模型計算得到的太陽三維磁場結構。不同顏色的線代表磁力線,中間為光球磁場在視線方向上的分量分布圖(Yang, Tian, Tomczyk, et al. 2020, Sci China Tech Sci

            CoMP測量的日冕磁場強度分布圖疊加在SDO衛星拍攝的日冕圖像上(Yang, Bethge, Tian, Tomczyk, et al. 2020, Science)。本文圖片由受訪者田暉供圖

            它給予我們光與熱,為世間萬物賦予生命的色彩,主宰著麾下的所有行星……它,就是太陽。

            每個人都會認為自己很熟悉這個頂在頭上的“大光球”。可是很少有人知道,太陽,這個太陽系的中心天體,占有太陽系總體質量的99.86%,包括地球在內的所有行星都依賴著它而存在,是太陽系的主宰,并且控制著行星際空間和地球空間的洪荒變遷。

            正因如此,天文學家們一直孜孜不倦地努力揭開太陽的奧秘。然而,這么多年過去了,人類對于太陽一些性質的了解依然有限。不久前,北京大學地球與空間科學學院教授、中國科學院太陽活動重點實驗室主任田暉及其研究生楊子浩同學等人在日冕磁場測量方面取得重要進展。他們首次測量得到日冕磁場的全局性分布,也讓人們對于太陽的了解更進一步。

            星系主宰

            科學家們為什么一定要了解太陽?這是因為,毫不夸張地說,太陽是我們太陽系的主宰。

            太陽不僅是地球上生命存在的關鍵,也在塑造我們周圍的空間環境方面發揮了重要作用,更是掌控著整個太陽系的“天氣”。而對于太陽來說,磁場具有極其重要的意義。

            田暉介紹說:“太陽磁場一直延伸到冥王星之外的日球層邊界,太陽還以每秒數百公里的速度往外發射帶電粒子流,形成所謂的太陽風。太陽上的局部區域時不時也會發生太陽爆發,當這些太陽風暴猛烈襲擊地球時,會產生美麗的極光,但同時也會干擾通信和導航系統,影響衛星及星載儀器的正常運行,甚至威脅宇航員的生命安全。”

            雖然太陽離我們很遠,但地球作為太陽系中的一顆行星,時常會在太陽面前“戰戰兢兢”。例如,1989年的一場太陽風暴,就曾嚴重影響多顆衛星及星載儀器的正常運行,并造成加拿大魁北克省電力系統崩潰,北美地區數百萬人受到影響。類比地面上的天氣,太陽風暴及其對日地空間環境的擾動被稱為空間天氣。

            “研究太陽,可以讓我們對空間天氣有更深的理解。目前,人們對于太陽風暴依然難以準確地預測,這對人類社會眾多高技術系統的正常運行帶來了很大影響。如果我們能夠對太陽各層大氣的磁場及其演化有深入了解,就可以較好地預測太陽風暴的發生及其對地球的影響。”田暉告訴中青報·中青網記者。

            而對于太陽本身來說,磁場是它最基本的屬性之一。首先,太陽黑子的11年周期本質上是太陽大尺度磁場的周期性轉化;其次,太陽系中最劇烈的爆發現象——太陽耀斑和日冕物質拋射通常是由太陽磁場的演化所驅動的;最后,與磁場相關的物理過程導致了太陽外層大氣——日冕的百萬度高溫,并因此產生充滿行星際空間的超聲速太陽風。

            因此,測量太陽磁場一直都是太陽物理學家最重要的使命之一。自17世紀初伽利略用望遠鏡觀測和研究太陽算起,太陽物理的科學研究已經持續了數百年。然而受限于觀測技術的水平,到20世紀初期,人類才開始利用原子物理領域的塞曼效應來測量太陽磁場。直到最近二三十年,人類才實現對太陽表面(光球層)磁場的高分辨率常規測量。

            揭秘日冕

            “然而迄今為止,我們對太陽磁場的成熟測量僅僅局限在光球層。”田暉表示,光球之上的太陽大氣,尤其是最外層的日冕,其中的磁場仍難以測量。“100多年來,人們對于日冕磁場的研究進展非常緩慢,難以找到有效方法進行常規測量。因此,測量日冕磁場成了一個切切實實的世紀難題。”田暉說。

            田暉解釋說,這是因為,日冕磁場比光球磁場要弱得多,日冕譜線因塞曼效應而分裂所產生的子線之間波長差很小;另外,日冕的高溫導致日冕譜線的輪廓變得很寬,使本來就不明顯的譜線分裂更加難以被測量出來。

            由于太陽大氣各層次中的磁場實際上是一個整體,磁場將各層大氣耦合在一起,這導致太陽上最重要的物理過程大多跟磁場的三維結構及其演化有關,因此,日冕磁場測量的困難極大地制約了太陽物理學科的發展。

            鑒于日冕磁場測量的困難,太陽物理學者通常只能在一些假設下,通過模型來重構出日冕磁場位形,用以研究太陽大氣動力學和太陽爆發等物理過程。但是,這些模型假設對于日冕中的有些區域不一定成立,而且不同模型重構得到的磁場結構經常不一樣。因此,人們急需對日冕磁場進行直接的測量。

            近年來,一種被稱為“磁震學”的方法被一些學者認為可以用于診斷日冕磁場。其基本原理是根據一些日冕結構中偶爾發生的震蕩或波動現象的觀測,結合磁流體波動理論,來診斷日冕中的磁場。

            “由于這些震蕩現象通常只是偶爾發生在日冕中很小的區域內,并且震蕩經過幾個周期后就衰減消亡了,因此只能診斷日冕中較小區域的磁場,無法用于對大視場范圍內磁場的常規測量。”田暉說。

            田暉教授和他的團隊,利用高山天文臺CoMP日冕儀的觀測,將“磁震學”方法推廣應用到日冕中普遍存在的磁流體波動上,從而首次測量得到日冕磁場的全局性分布,為日冕磁場測量這一世紀難題的解決提供了一個新的有效途徑。兩篇相關論文近日分別發表在Science雜志(《科學》)和Sci China Tech Sci雜志(《中國科學:技術科學》)上。

            據了解,這一研究成果實現了用冕震學方法測量日冕磁場從點、線到面的飛躍,填補了全局性太陽磁場測量的空缺,從而向實現日冕磁場常規測量的最終目標邁進了一大步。田暉表示:“一方面,未來我們需要建造更大口徑的日冕儀,從而獲得更高信噪比的觀測數據;另一方面,我們需要保持開放的心態,通過充分探索來發現更多的可用于測量日冕磁場的有效方法。”

            恒星探測

            除了地球,人類還能生活在什么地方?也許有人認為這只是科幻片里才會討論的問題,但事實上,如今科學家們正在尋找除地球以外的宜居星球。

            要想找到像地球一樣的宜居星球,這顆行星需要處于距離恒星遠近合適的區域。在這一區域內,恒星傳遞給行星的熱量適中,行星不會太熱或太冷,可能存在液態水。此外,恒星的電磁輻射和爆發活動對系外行星的宜居性也有重要影響,這一新興的領域被稱為“空間天氣宜居性”研究。

            “由于人類對其他恒星-行星系統的了解極少,因此當前空間天氣宜居性的相關研究大多是基于我們對太陽和日地系統中空間天氣的認識而發展起來的。太陽物理學者正積極推動這一新興前沿研究領域的進展。”田暉表示,太陽的“脾氣”相對較好,它狀態穩定,爆發活動也沒有那么頻繁;但是很多其他的恒星卻沒有太陽這么好的脾氣,頻繁和劇烈的爆發足以影響環繞它們運行的系外行星上生命的存在。

            未來,一方面我們需要參考對太陽的探測手段,大力推動對恒星的探測;另一方面,日冕加熱、太陽爆發和太陽活動周等重大問題依然困擾著我們,我們需要與世界各國一道,繼續推動對太陽的探測,尤其是空間衛星探測。

            田暉表示,我國在太陽低層大氣(包括光球和色球)的觀測方面實力較強,但在太陽高層大氣(包括日冕和過渡區)的觀測方面遠遠落后于美國、日本、歐洲等。目前,我國的日冕光學觀測設備僅有中日共建的麗江日冕儀。近年來,中國太陽物理界積極推動射電日像儀、白光和紫外日冕儀、極紫外成像儀和光譜儀、日食望遠鏡等日冕核心觀測設備的研制,期望提升我國對太陽高層大氣觀測的能力。

            空間太陽探測一直是世界強國空間探測的重點,從1995年至今,美、歐、日等一共發射了近10顆太陽探測衛星,平均不到3年發射一顆。

            “我國首顆太陽探測衛星——先進天基太陽天文臺(ASO-S)也將于2022年前后發射,它將同時對太陽爆發及驅動爆發的太陽磁場進行觀測。中國的太陽物理學者也在持續推動后續的太陽和恒星探測衛星計劃,以縮小我國與發達國家在空間探測方面的巨大差距。”田暉說。

          打印 責任編輯:董凱悅
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