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日冕磁場(chǎng) 太陽(yáng)大氣中的隱秘力量

馮杰

2024年12月13日 07:47

楊子浩 田 暉

日冕是太陽(yáng)大氣的重要組成部分，那些對(duì)地球空間環(huán)境有重大影響的太陽(yáng)爆發(fā)事件，大多起源于日冕中。在它們背后，隱藏著一種神秘力量——日冕磁場(chǎng)，一直以來(lái)，人們對(duì)其了解甚少。近年來(lái)，隨著太陽(yáng)觀測(cè)和測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，我們得以一窺日冕磁場(chǎng)的奧秘。

我們?yōu)楹我芯咳彰岽艌?chǎng)

太陽(yáng)，是我們最熟悉的恒星，也是太陽(yáng)系的能量之源。這個(gè)巨大的火球有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)：其內(nèi)部主要由日核、輻射區(qū)和對(duì)流區(qū)組成；外部的太陽(yáng)大氣從低到高可以大致區(qū)分出光球?qū)印⑸驅(qū)印⑦^(guò)渡區(qū)以及最外層的日冕。日核是太陽(yáng)的能量源，在那里，核聚變反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹?，釋放出源源不斷的巨大能量。輻射區(qū)在日核之外，能量在這里通過(guò)輻射的方式向外傳遞。到了對(duì)流區(qū)，能量以對(duì)流的方式傳遞，熱等離子體在此不斷上升、冷卻、下沉，形成各種流動(dòng)。

太陽(yáng)內(nèi)部的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與太陽(yáng)自轉(zhuǎn)一起，產(chǎn)生了強(qiáng)大的太陽(yáng)磁場(chǎng)。太陽(yáng)磁場(chǎng)從內(nèi)部一直延伸到外層大氣，并在太陽(yáng)大氣中交織纏繞，形成復(fù)雜的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，帶來(lái)各種不同的太陽(yáng)大氣現(xiàn)象。比如太陽(yáng)表面如黑斑一樣的太陽(yáng)黑子，在太陽(yáng)大氣中常發(fā)生的耀斑和日冕物質(zhì)拋射等劇烈的太陽(yáng)爆發(fā)現(xiàn)象，都離不開磁場(chǎng)的支配。

在日全食期間，我們有機(jī)會(huì)見到太陽(yáng)大氣中最外層的光暈，這就是神秘的日冕。日冕的溫度高達(dá)百萬(wàn)攝氏度，比太陽(yáng)表面要高許多倍，它極為稀薄，卻又充滿了復(fù)雜的磁場(chǎng)。日冕中的磁場(chǎng)儲(chǔ)存了大量能量，當(dāng)這些能量突然釋放時(shí)，會(huì)形成壯觀的太陽(yáng)爆發(fā)現(xiàn)象。這些爆發(fā)在給地球高緯度地區(qū)帶來(lái)美麗極光的同時(shí)，也可能影響到地球上的高科技活動(dòng)，如衛(wèi)星導(dǎo)航和通信系統(tǒng)。

理解太陽(yáng)大氣中各種活動(dòng)的產(chǎn)生過(guò)程，預(yù)測(cè)太陽(yáng)爆發(fā)并減少它們對(duì)人類活動(dòng)的影響，離不開對(duì)日冕磁場(chǎng)的研究。日冕物質(zhì)拋射屬于劇烈的爆發(fā)事件——大規(guī)模的太陽(yáng)等離子體從日冕被拋射到太空中，到達(dá)地球時(shí)可能會(huì)擾動(dòng)地球磁場(chǎng)，影響衛(wèi)星和電網(wǎng)等系統(tǒng)。包括日冕物質(zhì)拋射在內(nèi)的諸多太陽(yáng)大氣中的活動(dòng)，通常發(fā)生在日冕中，其能量來(lái)源于日冕磁場(chǎng)。它們是如何產(chǎn)生的？如何預(yù)報(bào)它們……回答這些問(wèn)題，離不開對(duì)日冕磁場(chǎng)的研究。通過(guò)觀測(cè)和研究日冕磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)與變化，科學(xué)家可以更好地揭示這些活動(dòng)背后的機(jī)制。而掌握日冕磁場(chǎng)的演化規(guī)律，則有助于提升空間天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，為人類高技術(shù)系統(tǒng)提供更多安全保障。

測(cè)量日冕磁場(chǎng)的幾種方法

人類首次測(cè)量其他天體的磁場(chǎng)，還要追溯到100多年前。1908年，太陽(yáng)物理學(xué)家喬治·海爾在研究太陽(yáng)黑子時(shí)首次發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)磁場(chǎng)的存在。當(dāng)時(shí)，海爾利用的是一種被稱為“塞曼效應(yīng)”的物理現(xiàn)象：就像雨后太陽(yáng)光被水滴分成五顏六色的彩虹，利用分光儀器，我們可以將光分出不同的譜線。在有磁場(chǎng)存在時(shí)，光的譜線會(huì)發(fā)生分裂，變成若干條線，譜線之間分裂的間距和磁場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)。海爾在觀察太陽(yáng)黑子時(shí)注意到這一效應(yīng)，并由此獲得黑子中的磁場(chǎng)，從此改變了人類對(duì)包括太陽(yáng)在內(nèi)的各類天體磁場(chǎng)的研究進(jìn)程。100多年間，人們已經(jīng)能夠利用塞曼效應(yīng)對(duì)太陽(yáng)大氣的最底層，也就是光球?qū)拥拇艌?chǎng)進(jìn)行常態(tài)化測(cè)量?？梢哉f(shuō)，我們對(duì)太陽(yáng)光球磁場(chǎng)的認(rèn)知已經(jīng)比較成熟。

然而，太陽(yáng)磁場(chǎng)是一個(gè)整體，各個(gè)層次之間的磁場(chǎng)并不是獨(dú)立無(wú)關(guān)的。盡管我們已經(jīng)能夠常態(tài)化地測(cè)量光球?qū)拥拇艌?chǎng)，但光球上方的太陽(yáng)大氣磁場(chǎng)，特別是日冕磁場(chǎng)，仍然充滿未知。這主要是因?yàn)槿彰岽艌?chǎng)相比于下方的光球磁場(chǎng)要弱很多，因此，塞曼效應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)也會(huì)很弱，難以捕捉。這就對(duì)觀測(cè)設(shè)備的靈敏度提出了極高要求。好在近20年間，隨著探測(cè)技術(shù)和研究手段的進(jìn)步，科學(xué)家開始嘗試通過(guò)更多新的方式進(jìn)行日冕磁場(chǎng)的測(cè)量。

最傳統(tǒng)的測(cè)量日冕磁場(chǎng)的方法仍然基于塞曼效應(yīng)展開。但正如前文提到的那樣，日冕中的信號(hào)非常弱，難以捕捉。平時(shí)拍照時(shí)，在弱光情況下，我們或者需要用更先進(jìn)的相機(jī)來(lái)拍攝，或者需要通過(guò)增加曝光時(shí)間來(lái)捕捉這些暗光環(huán)境下的場(chǎng)景。對(duì)于日冕觀測(cè)，通常也是采取這兩種方式。2000年，夏威夷大學(xué)的科學(xué)家用一臺(tái)比較小的望遠(yuǎn)鏡，對(duì)日冕中的一片區(qū)域進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)70分鐘的曝光，成功捕捉到日冕中微弱的塞曼效應(yīng)信號(hào)，并獲得其中的磁場(chǎng)信息。受限于望遠(yuǎn)鏡的大小和它的視野范圍，當(dāng)時(shí)用這種方法只能偶爾得到某一個(gè)小區(qū)域的日冕磁場(chǎng)信息，并且需要很長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間。在這之后20年間，人們幾乎沒有用這一方式再次測(cè)量到日冕磁場(chǎng)。

近年來(lái)，科學(xué)家研制了更先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，如丹尼爾·井上太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡。這是一臺(tái)位于夏威夷的太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡，也是目前世界上最大的太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡。一般來(lái)說(shuō)，望遠(yuǎn)鏡越大，能看到的結(jié)構(gòu)越精細(xì)，捕捉更弱信號(hào)的能力越強(qiáng)。利用丹尼爾·井上望遠(yuǎn)鏡，無(wú)需很長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間，科學(xué)家們就能夠捕捉到日冕中細(xì)微的塞曼效應(yīng)信號(hào)，并且成功測(cè)量到日冕中小范圍的磁場(chǎng)分布圖。

除此之外，人們也發(fā)展了其他一些研究手段，其中包括射電觀測(cè)。太陽(yáng)上無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)出射電信號(hào)，也就是各種無(wú)線電波。就像用收音機(jī)收聽信號(hào)一樣，利用射電望遠(yuǎn)鏡，我們可以對(duì)來(lái)自太陽(yáng)的射電信號(hào)進(jìn)行接收和分析。日冕中產(chǎn)生的射電信號(hào)，其性質(zhì)離不開磁場(chǎng)的作用——不同的磁場(chǎng)環(huán)境下產(chǎn)生射電信號(hào)的機(jī)制不同，產(chǎn)生的射電信號(hào)也不同。分析接收到的射電信號(hào)，能夠判斷出這些信號(hào)如何產(chǎn)生、在哪里產(chǎn)生，并且推斷出產(chǎn)生區(qū)域具有怎樣的物理性質(zhì)，其中就包括它們的磁場(chǎng)性質(zhì)。這就是利用射電觀測(cè)來(lái)測(cè)量日冕磁場(chǎng)的基本原理。借助地面射電望遠(yuǎn)鏡陣列觀測(cè)，科學(xué)家能夠?qū)μ?yáng)上部分區(qū)域（比如耀斑發(fā)生的區(qū)域）進(jìn)行較為準(zhǔn)確的日冕磁場(chǎng)診斷，從而監(jiān)測(cè)這些區(qū)域的磁場(chǎng)變化。

揭開日冕磁場(chǎng)的神秘面紗

“冕震方法”是近20年來(lái)常用的一種日冕磁場(chǎng)測(cè)量手段。從名字上看，它和地震學(xué)的研究方法有類似之處——通過(guò)分析地震發(fā)生時(shí)的地震波信號(hào)，我們能夠探知地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；冕震方法則是利用發(fā)生在日冕中的波動(dòng)或者震蕩的信號(hào)來(lái)分析日冕的物理特性。

這種方法依賴于日冕中的波動(dòng)觀測(cè)，但這些波動(dòng)現(xiàn)象并非始終存在，往往只在一些爆發(fā)現(xiàn)象時(shí)被激發(fā)。因此，利用這種方法只能偶爾得到日冕磁場(chǎng)信息。同時(shí)，這些信息只是日冕中某一個(gè)點(diǎn)或者某一條線上的磁場(chǎng)信息。

對(duì)于太陽(yáng)物理研究而言，我們急需的技術(shù)，是像光球磁場(chǎng)測(cè)量那樣，能夠常態(tài)化獲得日冕大范圍、全局性的磁場(chǎng)信息。顯然，無(wú)論是現(xiàn)有的利用塞曼效應(yīng)的方法，還是借助射電觀測(cè)，又或者是基于過(guò)去的冕震方法，都無(wú)法實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

2020年，北京大學(xué)和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心領(lǐng)銜的合作研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)展了一種新的二維冕震方法。相比于以往的冕震方法，這一方法利用日冕中廣泛存在的波動(dòng)，在二維平面上分析波動(dòng)性質(zhì)，獲取日冕磁場(chǎng)信息。

我們將這種方法應(yīng)用于日冕多通道偏振儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)。日冕多通道偏振儀是一臺(tái)能夠?qū)θ彰徇M(jìn)行全局性觀測(cè)的儀器，類似于日全食期間，我們將太陽(yáng)的極亮盤面遮住，只觀察周圍相對(duì)暗淡得多的日冕。日冕多通道偏振儀的獨(dú)特性，讓研究團(tuán)隊(duì)獲得了日冕磁場(chǎng)的全局性二維分布，也就是整個(gè)平面上的分布。相比于以往的研究結(jié)果，這大大增加了我們所能獲取的信息范圍。這一成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

近期，北京大學(xué)太陽(yáng)物理研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)領(lǐng)銜開展國(guó)際合作，利用升級(jí)版日冕多通道偏振儀首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)日冕磁場(chǎng)的長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)。就像照相機(jī)的升級(jí)換代一樣，相比于過(guò)去，升級(jí)版日冕多通道偏振儀具有觀測(cè)更精細(xì)結(jié)構(gòu)和捕捉更弱信號(hào)的能力。研究團(tuán)隊(duì)在為期8個(gè)月的持續(xù)觀測(cè)中，利用二維冕震方法，繪制了114幅日冕磁場(chǎng)分布圖，展示日冕磁場(chǎng)隨太陽(yáng)自轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)變化。這一常態(tài)化日冕磁場(chǎng)測(cè)量，為揭示日冕磁場(chǎng)演化過(guò)程提供了寶貴數(shù)據(jù)。通過(guò)優(yōu)化的二維冕震方法，團(tuán)隊(duì)得以觀測(cè)到更廣闊范圍內(nèi)的日冕磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)信息。這些數(shù)據(jù)首次為人們清晰展示了日冕磁場(chǎng)在幾個(gè)月時(shí)間內(nèi)如何持續(xù)演化，就像為日冕拍攝一部延時(shí)攝影的紀(jì)錄片。這一重要成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上，成為日冕磁場(chǎng)研究的又一重要突破。

隨著科學(xué)觀測(cè)手段的進(jìn)步，人類對(duì)日冕磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)不斷加深。從塞曼效應(yīng)到冕震技術(shù)，從光學(xué)觀測(cè)到射電觀測(cè)，科技進(jìn)步讓人類逐漸揭開日冕磁場(chǎng)的神秘面紗。從幾乎無(wú)法觀測(cè)到逐步實(shí)現(xiàn)常態(tài)化測(cè)量，太陽(yáng)物理研究將因日冕磁場(chǎng)測(cè)量的進(jìn)展而逐步邁入新階段。我們正在往實(shí)現(xiàn)常態(tài)化的太陽(yáng)大氣整體磁場(chǎng)測(cè)量的目標(biāo)邁進(jìn)，這不僅有助于科學(xué)家深入理解太陽(yáng)活動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)制，還將提升人類應(yīng)對(duì)空間天氣的能力。

目前，全球多個(gè)新一代太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目正在推進(jìn)，未來(lái)科學(xué)家將有能力獲取更加詳盡的日冕三維磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。例如，中國(guó)剛剛建成的“子午工程二期”光譜成像日冕儀，能夠進(jìn)行類似升級(jí)版日冕多通道偏振儀的觀測(cè)，有望彼此形成互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)在不同時(shí)區(qū)接續(xù)觀測(cè)日冕磁場(chǎng)。

未來(lái)，我們希望能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)日冕磁場(chǎng)精細(xì)結(jié)構(gòu)及其快速演化的高清觀測(cè)。這將推動(dòng)我們對(duì)太陽(yáng)爆發(fā)的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，從而保障航天、導(dǎo)航等高技術(shù)活動(dòng)的安全。

（作者分別系北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院博士研究生、教授）