科學家鎖定太陽風老巢:在日冕層的暗影裡,那股觸發極光的力量

2020-11-22 手機鳳凰網

一個中德科學家小組已經確認出了太陽日冕中的磁結構，高速太陽風就是在這裡產生的。利用來自太陽輻射紫外光測量（SUMER）光譜儀的圖像和都卜勒圖，以及由歐洲航天局(ESA)和美國航空航天局(NASA)的天基太陽和日球層天文臺（SOHO）上的麥可遜都卜勒成像儀（MDI）提供的磁圖，該小組注意到太陽風是從形似漏鬥的磁場中流出的，這些磁場被固定在太陽表面附近磁網的狹窄磁軌上。

圖解：太陽風作用下的地球磁場藝術想像圖

這些觀測結果於今年發表在《科學》雜誌上。這項研究加深了我們對太陽風源磁場性質的認知，而我們已經知道，時刻影響著地球太空環境的太陽風，實際上是纖薄又熾熱的等離子流(導電性氣體)。

圖1、當太陽表面的磁場線沒有回落閉合時，太陽風便得以從中逃逸出來。

太陽風由質子、α粒子(二次電離的氦)、重離子和電子構成，這些粒子在太陽表面的移動速度在300到800 km/s之間。日冕源區中的重離子會釋放具有一定波長的紫外輻射；當重離子飛向地球(追蹤著新生太陽風)，其發射的紫外光波長會變短。這種現象被稱作都卜勒效應，最為人熟知的例子就是一輛接近或遠離觀察者的警車，其警笛聲在聽覺上的變化。在太陽的情形中，朝向我們(也即遠離太陽表面)運動的等離子體，被檢測出在紫外光譜中存在藍移。因此，利用這個現象，可以確定太陽風流的初始位置。

圖解：天鵝周圍水流的都卜勒效應

太陽輻射紫外光測量(SUMER)的紫外光譜看上去和用稜鏡將白光分離成的彩虹條帶類似。但紫外光人肉眼不可見，而且無法穿透地球大氣，所以通過對空間觀測站SOHO上SUMMER光譜儀採集的紫外光譜進行分析，太陽物理學家可以獲得大量關於太陽的原始信息，並推測太陽的大氣溫度、化學組分和不同大氣圈層的運動。

科學論文第一作者，來自北京大學地球物理系的屠傳義教授說：「太陽風源區的精細磁結構仍然難以捉摸。多年來，太陽和空間物理學家一直在觀測發源於日冕層中具有開放磁場線和低光密度的區域，即冕洞，的高速太陽風。然而，只有用一種新穎的方式結合SOHO的複雜觀測結果，我們才能推斷日冕洞內源的性質。日冕漏鬥似乎就是高速太陽風的發源地，速度約10 km/s，高度可達20000 Km，位於光球層上方。

圖2、歐洲航天局ESA和NASA的日球層天文臺(SOHO)捕捉到了這張圖片。巨大的冕洞盤旋在太陽北極的上空。圖源：ESA&NASA/SOHO

屠教授說：「Ne7+離子可用作良好的熱等離子流示蹤劑。當高速太陽風開始從冕洞中的漏鬥頂部以10 km / s的速度流出時，會表現為600000 開爾文(K)下Ne+7離子發射線的都卜勒藍移中的色斑。通過比對磁場，即利用MDI磁資料從光球層中推斷出的磁場，我們發現這條線的藍移模式與20000 Km處的開放場結構之間相關性最好。

SUMER光譜儀通過觀察來自太陽北極地區大面積的紫外線輻射，仔細查看了太陽風的來源。科學論文的合著者，埃卡特·馬什(Eckart Marsch)教授說：「明確識別源區的詳細磁結構（現在已顯示為日冕漏鬥）以及確定釋放高度和太陽風初速度，是解決質量供給和基礎加速度問題的重要步驟。而現在，我們可以集中注意力研究更深層次的等離子體條件，和發生在膨脹著的日冕漏鬥及磁網窄頸中的物理過程。」

圖3、三維太陽大氣中的磁場結構。黑色實線表示開放磁場線，紅色的表示封閉磁場線。因為日冕中磁場強度隨高度（Z）的增加而降低，所以對於不同的高度，色斑的規模會有所不同。在4 Mm處插入的平面中，我們將Si II的輻射與推測的Bz進行了比較。外形線描繪了Si II輻射度80％的等級。在20.6 Mm處插入的平面中，我們將小於–7 km / s的Ne VIII都卜勒頻移與推測的Bz進行了比較。陰影區域暗示Ne7+出流速度大於7 km / s的範圍。

解決太陽風的性質和起源問題是設計日球層天文臺(SOHO)的主要目的之一。冕洞是高速太陽風的出風口對於天文學界早已不是新鮮事，新聞是，這些太陽風流被發現是源自日冕漏鬥的，漏鬥的源位於磁網的邊緣。太陽表面之下有許多大型對流單體，每個單體都有與之聯繫的磁場，這些磁場通過磁對流聚集在網絡通道中，漏鬥頸就固定在其中。等離子體，雖然仍被限制在小型環形迴路，但會被磁對流帶進漏鬥中，然後從中釋放出來，就像一桶水被倒進一個開放的水道一樣。

圖4、太陽大氣中的磁漏鬥。（A）強調開放磁場線和出流速度大於8 km/s的Ne7+（暗陰影區）的相關性。（B）圖示漏鬥邊界和由相鄰環繞的雙極磁環限制的磁單極通量。

馬什(Eckart Marsch)教授說：「 人們認為快速的太陽風起源於光球層上方很近的電離氫原子層中，任意給定的開放磁場線。碳離子發射線的低都卜勒頻移表明，在5,000 km的高度尚未發生大量的粒子外流。太陽風等離子流現在被認為是由很多小磁環產生的等離子體提供的，這些磁環只有幾千公裡高，擠滿了漏鬥。通過磁性重連，等離子體從各個方向灌入漏鬥，在其中可能被加速，並最終形成太陽風。」

SUMER儀器的建設，由德國林道的馬克斯·普朗克太陽系研究所（原馬克斯·普朗克高層大氣物理研究所）的克勞斯·威廉博士（也是該論文的合著者）領導，法國奧賽的空間研究所、馬裡蘭州格林貝爾特的NASA戈達德太空飛行中心和伯克利的加利福尼亞大學參與核心工程，德國、法國、美國和瑞士國家機構提供財政支持。SOHO是歐洲航天局(ESA)和美國國家航空航天局(NASA)之間的國際合作項目，於1995年12月在NASA的佛羅裡達州甘迺迪航天中心發射，由一枚Atlas II-AS火箭運載，戈達德航天中心執行操作。

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

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2.天文學名詞

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