太阳上的“小喷泉”可能是造成日冕高温的＂元凶＂

当我们热身时，离火源越远，温度越低。如果太阳的核心被认为是火源，它也满足这个规则吗？

由于太阳的能量来自其内核区域的核聚变反应，根据热力学第二定律，离太阳内核越远，温度应该越低。事实上，从太阳核心到太阳表面(光球层)，温度从大约1500万摄氏度下降到大约5500摄氏度，这确实符合这个规律。然而，从光球层到外部，温度异常升高。日冕层(太阳最外层的大气层)的温度甚至高达100万摄氏度。

日冕高温是如何产生和维持的？这是日冕加热的问题，也是太阳物理学和空间物理学领域的长期问题之一。2012年，日冕加热问题被《科学》杂志选为当代天文学八大未解之谜之一。

几天前，北京大学地球与空间科学学院教授田辉及其国际合作伙伴领导的研究小组在《科学》杂志上发表了一项研究成果，为探索日冕高温之谜提供了一个新的窗口。

“小喷泉”为解谜提供线索

日冕是在日全食期间首次被发现的。日冕的亮度大约是太阳表面的百万分之一。当月亮完全遮住太阳表面时，微弱的日冕辐射只能被人观察到。

在上世纪中叶，人们发现在日冕中有高度离子化的铁离子。据推断，日冕的温度高达一百万度，比太阳表面的温度高出两个数量级以上。

当人们拍摄太阳色球的照片时，通常会发现在太阳边缘有许多毛刺状的喷流，也就是说，在光球和日冕之间有针状物。这些针通常只有200公里宽(太阳半径约为700，000公里)，间歇地从太阳表面喷射到日冕中。田辉告诉《科学日报》，在任何时候，太阳表面都有大约一百万根针。

“针像喷泉一样向外移动，所以它的轨迹是细长的。在Hα图像中，针看起来很暗，因为下部色球背景物质发出的氢原子的Hα线辐射在向外传输时被针吸收了。”田辉说，磁针是在磁重联加速位于低层大气(色球)的物质喷射时形成的。"投掷的物质包括中性原子、电子、离子和其他温度约为10，000摄氏度的物质。"

2014年，田辉等人在《科学》杂志上发表了一篇基于界面层成像光谱仪卫星(IRIS)观测数据的论文，指出大部分针被加热到至少100，000摄氏度。此外，一些观察还表明，一些针可能被加热到几百万摄氏度的量级。这些研究表明，针在日冕的物质和能量供应中起着非常重要的作用，了解它的产生和传输过程是解决日冕加热问题的关键田辉说。

然而，人们对针的形成机制并不一致。田辉告诉记者，许多学者提出了各种针形成的理论模型。这些模型中的核心物理过程包括慢冲击波、阿尔芬波、中性气体和电离气体之间的相互作用、片状磁场结构的畸变、涡旋运动、相反方向磁场结构之间的磁场重联等。

然而，这些陈述几乎没有一个被太阳物理学团体普遍接受。这主要是由于缺乏直接的观察证据来证实它。过去由于受望远镜分辨率和灵敏度的限制，观察针的产生过程极其困难。

大口径太阳望远镜非常重要

田辉和他的博士后研究员坦莫伊·萨曼塔与美国大熊湖天文台合作，利用美国的古迪太阳望远镜观察了太阳平静区(除了太阳黑子及其周围的光谱点)的针的形成机制和加热过程。

研究小组利用氢原子的α谱线，对针进行了长时间(约3.5秒)和高空间分辨率(约45公里)的成像观察研究。通过测量铁原子1.56微米谱线的偏振分布，研究小组获得了光学球深度磁场演化的高质量数据，磁图的空间分辨率达到约150公里。

经过对数据的详细分析，他们发现不同极性的磁场结构之间的相互作用与针的产生密切相关。这些针通常在太阳对流细胞边界的强磁场区域(称为网状组织)附近产生。当网络组织附近出现相反极性的小尺度弱磁场结构时，通常会产生针状物。在接近网络组织磁场的过程中，一些极性相反的磁场结构逐渐减少并最终消失，在此过程中观察到伴随的针刺活动。

"这些观察结果为磁重联驱动磁针的想法提供了强有力的支持."田辉说，磁场重联是一个物理过程，在这个过程中，等离子体中磁场的拓扑结构发生变化，导致磁场的能量被释放出来加热和加速物质。

太阳上出现小尺度磁通量的过程是常见的(也就是说，磁场结构从太阳内部漂浮到太阳大气层)。“当这些新出现的小规模磁场结构靠近强磁场网络，并且其接触面上的磁场极性相反时，可能会发生磁场重联。”田辉说。

磁重联使低层大气中的物质向外加速形成针状物。这与两种最流行的针产生机制(磁流体动力冲击波、中性和离子化成分之间的相互作用)完全不同。这个图像也不同于几个现有的磁重联驱动针的数值模型所描述的图像。

美国太阳动力学天文台卫星搭载的大气成像望远镜也观测到了古迪太阳望远镜的观测区域。数据显示，在针的上端出现了增强的171辐射(主要来自在大约100万摄氏度的环境中产生的Fe8+离子)，表明针在其传播过程中被加热到大约100万度。

田辉说，过去对太阳边缘和太阳表面活跃区域(太阳黑子周围的区域)的几次观测表明，太阳低层大气的喷射将导致当地日冕的加热。对太阳表面最常见的平静区域的观察表明，针被加热到日冕温度是一种非常常见的现象。

调和日冕高温的研究思路

"针在向外传输过程中的加热机理仍不清楚，需要进一步研究."田辉说，可能的机制包括等离子体波的消散、电流的消散和湍流的影响。

专家称，这一成果重新梳理了日冕加热的研究思路。“过去，人们通常只在日冕观测中寻找加热的痕迹，大多数相关的理论研究也探索日冕中的物理过程。然而，这一结果表明日冕加热与太阳低层大气中的磁活动密切相关。要揭开日冕加热的奥秘，我们必须注意能量和物质从低层大气转移的过程，也就是说，我们必须关注太阳大气层不同层之间的耦合。”田辉告诉《科学日报》。

这一研究成果将推动日冕加热和磁场重联的理论和数值模拟研究。太阳的低层大气是部分电离的，含有大量中性气体。这种环境和完全电离环境中的磁场重联特性之间的差异仍需要进一步研究。

田辉说，日冕的高温是太阳风形成的直接原因，太阳风是太阳系的基本介质，因为它充满了主要行星之间的区域。“如果日冕的温度不是那么高，那么太阳就不会发射太阳风，星际空间基本上是一个真空。因此，了解日冕高温形成的原因非常重要。”

此外，理解日冕的高温对我们理解宇宙中其他类似的现象也有启发意义。“像太阳一样，许多恒星的日冕温度比它们的表面高得多。黑洞吸积盘周围也可能有高温日冕。我们的观察结果也为了解其原因提供了参考。”田辉解释道。

田辉坦率地说，这项研究的突破是由于地面望远镜和空间望远镜对太阳大气不同层次(不同温度)的合作观测。“在接下来的三年里，中国的高级天基太阳观测站(ASO-S)、欧洲的太阳轨道器和印度的阿迪雅-L1等卫星将被发射。这些大型设备将在多个电磁波段中对太阳大气进行高分辨率和高灵敏度的观测，这将有助于我们进一步了解日冕加热和低层大气中磁活动之间的关系。”