太陽上的“小噴泉”可能是造成日冕高温的“元兇”
當我們烤火時，離火源越遠，温度越低。如果把太陽的核心看作一個火源，同樣滿足這一規律嗎？
由於太陽的能量來自其內部核心區域的核聚變反應，按照熱力學第二定律，離太陽核心越遠，温度應該越低。事實上，從太陽核心到太陽表面（光球層），温度從大約1500萬攝氏度下降到了約5500攝氏度，確實滿足這一定律。然而，從光球層再往外時，温度卻反常升高，日冕層（太陽的最外層大氣）的温度甚至高達百萬攝氏度。
日冕高温是如何產生和維持的？這就是日冕加熱的問題，是太陽物理和空間物理領域長期以來懸而未決的難題之一。2012年，日冕加熱問題被《科學》雜誌選為當代天文學的八大未解之謎之一。
日前，北京大學地球與空間科學學院教授田暉領導的課題組及其國際合作夥伴在《科學》雜誌發表了一項研究結果，為窺探日冕高温的奧秘提供了一個新窗口。
“小噴泉”提供破解謎題的線索
最早，日冕是在日全食發生時被發現的。日冕亮度大約是太陽表面的百萬分之一，當月亮完全擋住太陽的盤面時，微弱的日冕輻射才能夠被人們所觀測到。
上世紀中葉，人們發現日冕中存在高次電離的鐵離子，推斷日冕的温度高達百萬度，比太陽表面的温度高兩個數量級以上。
當人們對太陽的色球層拍照時，通常可以發現太陽的邊緣有很多毛刺狀的噴流，即位於光球層和日冕之間的針狀物。這些寬度通常只有200千米左右（太陽半徑約70萬千米）的針狀物，間歇性地從太陽表面噴射到日冕中。田暉告訴科技日報記者，任何時候，太陽表面都存在着約百萬個針狀物。
“針狀物像噴泉一樣向外運動，所以其軌跡呈細長狀。由於下方色球背景物質發出的氫原子Hα譜線輻射向外傳輸時被針狀物吸收，所以在Hα圖像中針狀物看起來是暗的。”田暉稱，針狀物是磁重聯將位於低層大氣（色球）的物質加速向外拋出時形成的。“被拋出的物質包括中性原子、電子和離子等温度約1萬攝氏度的物質。”
2014年，田暉等人根據界面層成像光譜儀衞星（IRIS）的觀測數據，在《科學》雜誌上發表論文指出，很大一部分針狀物被加熱到了至少10萬攝氏度左右。此外，一些觀測也顯示，部分針狀物可能會被加熱到百萬攝氏度的量級。“這些研究表明，針狀物在日冕的物質和能量供應中起到了非常重要的作用，瞭解其產生和傳輸過程是解決日冕加熱問題的關鍵。”田暉説。
不過，人們對針狀物的產生機制莫衷一是。田暉告訴記者，很多學者提出了多種針狀物產生的理論模型，這些模型中的核心物理過程包括了慢激波、阿爾芬波、中性氣體與電離氣體之間的相互作用、片狀磁場結構的扭曲、渦旋運動、相反方向磁場結構之間的磁重聯等。
然而，這些説法幾乎都沒有獲得太陽物理界的普遍認同。主要是因為缺乏直接的觀測證據來證實。受限於過去望遠鏡的分辨率和靈敏度，觀測針狀物的產生過程極其困難。
大口徑太陽望遠鏡功不可沒
田暉及其博士後檀摩耶·薩曼塔（Tanmoy Samanta）等與美國大熊湖天文台合作，利用美國古迪太陽望遠鏡對太陽寧靜區（除去黑子及其周圍譜斑以外的區域）針狀物的產生機制和加熱過程進行了觀測。
利用氫原子Hα譜線，課題組對針狀物進行了長時間（約3.5秒）和高空間分辨率（約45千米）的成像觀測研究。通過測量鐵原子1.56微米譜線的偏振輪廓，課題組獲得了光球深處磁場演化的高質量數據，磁圖的空間分辨率達150千米左右。
在詳細分析數據後，他們發現，不同極性磁場結構之間的相互作用與針狀物的產生緊密相關。這些針狀物通常產生於太陽上一種對流單元邊界處的強磁場區域（稱為網絡組織）附近。當網絡組織附近出現相反極性的小尺度弱磁場結構時，通常針狀物便會產生。一些相反極性的磁場結構在與網絡組織的磁場靠近的過程中逐漸變小並最終消失，在此過程中觀測到伴隨的針狀物活動。
“這些觀測結果為磁重聯驅動針狀物的觀點提供了強有力的支持。”田暉稱，磁重聯是等離子體中磁場拓撲結構發生改變，導致磁場的能量釋放出來加熱和加速物質的一種物理過程。
太陽上普遍存在小尺度的磁流浮現（即磁場結構從太陽內部上浮到太陽大氣中）過程。“當這些新浮現出來的小尺度磁場結構靠近強磁場的網絡組織，並且二者接觸面上磁場極性相反時，便可能發生磁重聯。”田暉説。
磁重聯將位於低層大氣的物質加速向外拋出，形成針狀物。這與當前最流行的兩種針狀物產生機制（磁流體激波、中性與電離成分之間的相互作用）截然不同。這一圖像也與現有的幾個磁重聯驅動針狀物的數值模型所描述的圖像不同。
美國太陽動力學天文台衞星（SDO）上搭載的大氣成像望遠鏡（AIA）也對古迪太陽望遠鏡的觀測區域進行了觀測。其數據顯示，針狀物上端出現了增強的171 Å輻射（主要來自Fe8+離子，產生於100萬攝氏度左右的環境中），表明針狀物在傳播過程中被加熱到了百萬度的量級。
田暉表示，過去對太陽邊緣和日面活動區（黑子周圍區域）的少數觀測顯示，太陽低層大氣的噴流會導致局地日冕的加熱。本次對日面上最普遍的寧靜區的觀測表明，針狀物被加熱到日冕温度是一種非常普遍的現象。
重新梳理日冕高温成因研究思路
“針狀物在向外傳輸過程中的加熱機制仍不清楚，需要未來深入研究。”田暉稱，可能的機制包括等離子體波的耗散，電流的耗散，湍流的作用等。
專家表示，這一成果重新梳理了日冕加熱的研究思路。“過去，大家通常僅在日冕觀測中尋找加熱的蛛絲馬跡，相關理論研究也大多探討日冕中的物理過程。而這一成果表明，日冕加熱與太陽低層大氣中的磁活動密切相關，要揭開日冕加熱的神秘面紗，必須要關注能量和物質從低層大氣往外傳輸的過程，即需要着眼於太陽各層大氣之間的耦合。”田暉告訴科技日報記者。
這一研究成果將促進日冕加熱和磁重聯的有關理論和數值模擬研究。太陽低層大氣是部分電離的，有大量中性氣體，這種環境下磁重聯的特徵與完全電離環境下的有何不同，仍需進一步研究。
田暉表示，日冕的高温是太陽風形成的直接原因，而太陽風充斥於各大行星之間的區域之中，可以説是太陽系中的基本介質。“如果日冕的温度沒有這麼高，那麼太陽就不會發出太陽風，行星際空間基本就是真空了。所以瞭解日冕高温形成的原因非常重要。”
此外，理解日冕的高温對於我們理解宇宙中其他類似現象也有所啓示。“許多恆星與太陽一樣，有温度遠高於其表面的星冕。黑洞吸積盤周圍也可能存在高温的冕層。我們的觀測結果為理解它們的成因也提供了參考。”田暉解釋道。
田暉坦言，這次研究取得突破，得益於地基和空間望遠鏡對太陽大氣不同層次（不同温度）的協同觀測。“未來3年，我國的先進天基太陽天文台（ASO-S）、歐洲的太陽環繞器（Solar Orbiter）、印度的Aditya-L1等衞星將要發射，這些大設備將在多個電磁波段對太陽大氣進行高分辨率和高靈敏度的觀測，將幫助我們進一步理解日冕加熱與低層大氣磁活動的關係。”