美国著名太阳物理学家尤金·帕克曾说:“如果没有磁场,太阳将变得枯燥无味。”而太阳磁场的起源问题,一直是天文学界的未解之谜。

近日,《自然》杂志报道,由美国西北大学牵头的国际研究团队提出,太阳磁场形成于太阳表面下约3.2万千米处。这一观点与当前流行不同。流行观点认为太阳磁场通常形成于太阳对流层深处。

太阳磁场测量难度大

尽管我们每天目睹太阳东升西落,对太阳黑子、耀斑、日冕等活动也耳熟能详,但对天文学家而言,太阳仍是一个“最熟悉的陌生人”。

太阳内部结构复杂,科学家普遍认为,其核心是发生核聚变的日核和辐射区,外部则为对流层。对流层约占太阳半径顶部三分之一,其范围延伸到太阳表面以下约20万千米,科学家推测太阳磁场可能产生于这一区域。

磁场是一种看不见、摸不着的物质,但可以通过某些具体的方式展现出来。“在磁铁上放一块玻璃板,玻璃板上撒些铁粉,然后轻拍玻璃板,铁粉便会按照一定方向有序排列,这就是具象化的磁力线。”中国科学院国家天文台研究员张洪起介绍,太阳磁场和地球磁场物理性质基本一样,但太阳磁场更为复杂多变。张洪起曾经长期在国家天文台的怀柔太阳观测基地工作。该基地是国际著名的太阳磁场观测台站,曾取得一系列世界一流观测和研究成果。

“假如能把指南针放在太阳表面,那么会发现在太阳的不同区域,指南针的指向是不同的,即使是在同一区域,指南针在不同时刻所指的方向也会发生变化。”张洪起解释,之所以会出现这样的情况,是因为太阳磁场不断随时间发生演化,并向日地空间扩散开来。

然而,指南针难以放到炙热的太阳附近。为了观测太阳磁场,科学家只能另辟蹊径,利用物理学中的塞曼效应进行观测。塞曼效应是指在外磁场中,原子的发射谱线会发生分裂且偏振的现象。张洪起介绍,通过测量太阳上的光谱分裂和不同分量偏振情况,就能够间接推演太阳表面磁场的分布状态。

1908年,美国天文学家乔治·埃勒里·海耳首先发现太阳黑子具有强磁场。他第一次证实了宇宙中除地球磁场之外的磁场存在,也间接揭示了太阳活动源自磁场。但是,由于太阳大气的不透明性,人们只能测量太阳表层磁场的大概分布情况,无法获得太阳内部磁场的真实分布状态。

帕克在1955年提出了太阳发电机理论,以解释太阳内部磁场的起源和演化。太阳发电机理论认为,通常在太阳内部,高温等离子体的流动受到太阳核心核聚变产生的巨大热量影响,促进了复杂的磁场形成和演化。

“形象地说,太阳就像一个发电机,它的旋转以及内部物质的流动,将运动能转化为电磁能。”张洪起说,由于人们无法真正了解太阳内部,因此至今都不能完全弄清太阳磁场形成的细节。

着眼太阳表面开展研究

为探究太阳磁场的起源,科学家往往先观测太阳表面,然后建立模型,通过计算来推测太阳内部多层次的等离子体流动情况。

《自然》杂志发表的上述研究并未尝试模拟整个太阳内部的复杂等离子体流动,而是研究太阳表面附近等离子体流动的稳定性,以探究其是否足以解答太阳磁场起源问题。

该研究主要基于日震学数据。日震学将低纬度扭转振动定位到太阳外围的5%—10%,即近表剪切层。在该区域,向内增加的差异旋转与极向磁场的耦合强烈暗示了磁旋转的不稳定性。

随后,研究人员运用新算法建立模型,模拟后发现,在太阳表面5%—10%的等离子体流发生的变化就足以产生磁场模式。他们进一步模拟发现,相较之下,太阳对流层深处的变化所产生的磁场与实际观测数据不太吻合。

“过去的研究多集中在太阳对流层深处探究太阳发电机运转,而此次研究从新的视角出发,提出了太阳磁场可能是在太阳表面下约3.2万千米处产生的观点。”张洪起认为,这种观点在天文学界引起了很大争论,但科学往往需要在争论中向前发展。

太阳磁场之所以备受关注,是因为其引发的太阳活动在很多方面影响着人类活动。张洪起介绍,对于宇航员来说,在执行太空任务时,尤其是进入更深层次的宇宙空间时,太阳爆发活动(即太阳风暴)可能对其构成潜在的巨大威胁。其次,太阳活动还会影响地球大气的电离层,进而对电波通信产生干扰,甚至可能导致短波通信中断。此外,太阳活动的周期性变化与人类的生存环境、气象气候以及某些特殊疾病的发生都密切相关。

对太阳的探索永无止境

太阳磁场起源仅仅是太阳未解之谜中的一个,在揭开更多太阳未解之谜的道路上,人类面临着种种艰难险阻。

在中国科学院国家天文台研究员张承民看来,磁流体力学作为研究太阳的重要基础,其复杂性在于磁场与电流体的交织作用。流体力学中的湍流问题尚未有完整解答,而电磁场的引入无疑为这一领域增添了更多未知数。磁场与电场之间的相互作用,以及各自的三维特性,再加上流体的压力、流速、温度和密度等多重因素,使得求解精确的数学方程变得异常困难。

太阳环境的复杂性不仅体现在其物理参数和磁流体力学的特性上,更在于其高度的非线性。张承民强调,这种非线性意味着微小的变化可能引发巨大的影响,正如亚马孙森林中的蝴蝶扇动翅膀可能引发远处的飓风一样,这种不确定性增加了人们预测太阳活动的难度。

“由于太阳外层环境的复杂性,人们很难通过经验来预测其变化。”张承民表示,当前人们主要通过卫星等间接手段获取太阳的整体环境信息,近年来,虽然有人提出利用人工智能和大数据对太阳活动进行分析,但这种方法仍难以深入揭示其背后的物理原理。

要解开更多太阳之谜,天文学家不仅需要深入剖析其物理原理、建立数学模型,还需不断探索新的研究方法和手段。正如张洪起在他的专著《太阳磁学》中所言:“100个天文学家可能有100个太阳风暴的模型。”他认为,对于无法直接探测的事物,人们自然会产生各种遐想并提出各种新方法,这些遐想和方法因人而异,但都是科学探索进步的驱动力。

编辑:黄昂瑾
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