...日本科學家找到突破性方法 可提前24小時預測太陽耀斑爆發位置...

如果你認為預測地球上的天氣很難，那預測太陽上的天氣——難度可想而知。

今年5月29日，太陽爆發了自2017年10月以來最強的耀斑，這是美國宇航局（NASA）在太陽動力學天文臺（SDO）觀測到的一次噴發。這一現象引起了許多天文和科學家的擔憂——太陽耀斑爆發，對地球可能產生巨大的、危害性的影響。

強烈的太陽耀斑，經常會噴射出像魚雷一樣的帶電粒子和等離子體。而理解它們何時以及為什麼會從太陽表面爆發，卻是天體物理學中最困難的挑戰之一。

（圖源：NASA戈達德宇航中心）

但是，研究人員在7月31日的《科學》封面雜誌上報導，基於太陽耀斑背後的物理原理，一項新技術可以幫助預測太陽耀斑的劇烈輻射爆發。

預測「太空天氣」

據悉，日本的一個研究小組提出了一種新的基於物理的技術，可以在很多情況下預測太陽耀斑是否會發生。不僅如此，這項技術還可以確定耀斑將在太陽上爆發的位置，以及大致的強度。

儘管這項研究仍處於概念驗證階段，但計劃是在未來幾年內將該模型應用到實時太陽耀斑爆炸預報中，這或許可以幫助我們免受下一次「卡靈頓事件」（Carrington Event，1859年）的影響。

大規模的太陽風暴可能造成大範圍的電力中斷，甚至是衛星停運（危及宇宙飛行器內的太空人和儀器的安全），同時它也會影響航空旅行和網際網路。大多數觀點認為，這些太陽風暴是由於太陽外層大氣磁場的變化而釋放出大量儲存的磁場能量而引起的，但可惜的是——即便有了太陽黑子、日冕變化這兩天重要線索，此前科學家們依然無法直接測量太陽耀斑的爆發。

如果能夠提前預測，那會帶來多大的便利？至少研究人員們認為，這一最新發現將有助於未來更好地預測「太空天氣」。

精準預測猶如「大海撈針」

隨著太陽熱等離子體的攪動和旋轉，它將我們恆星的磁場扭曲得越來越緊，就像一根打結的橡皮筋一樣儲存著能量。這些磁場的扭曲結以太陽黑子的形式留下了它們的印記——太陽表面捲曲的磁能抑制陽光照射的黑色、稍冷的斑點。

這些活動區域有時會產生耀斑，或能量和光的強烈爆發，這些耀斑會將帶電粒子和輻射通過太陽的外層大氣和太陽系洶湧而過。這樣的日冕物質拋射(CMEs)會威脅到人類在地球上和周圍建造的基礎設施，比如電網和衛星。出於這個原因，全球許多氣象和太空機構都會發布太陽耀斑的預報。

但預測太陽天氣仍在進行中。去年的一項研究對比了世界各地十幾家機構的預測結果，得出的結論是「其中一種操作方法特別好。」事實上，其中一些算法的表現卻不如隨機猜測的算法。

這些方法並不是通過物理模擬得出的，而是通過各種不同的方法來量化磁場區域在觀察中出現的打結程度——這表明了燃燒燃料的能量被儲存了多少。這有點像在一個炎熱、悶熱、陽光明媚的日子醒來，知道雷暴形成的條件已經成熟。

但是就像預測雷暴並不總是成功一樣，預測太陽耀斑也不像看起來那麼簡單。這就好比你發現條件都對上了，但卻不能預測它是否真的會引起耀斑爆發，以及會不會是一次大型的爆發。

尋找耀斑的「爆發種子」

為了應對預測太陽耀斑的挑戰，日本研究小組的新技術通過尋找最有可能觸發耀斑的條件來確定耀斑的「萌生」。研究人員們在最新的研究的實驗中發現了一種方法，它涉及到所謂的量子-機械幹涉。

他們的突破是通過一種離子(九倍的電離鐵)，並預測和分析了其中的兩個能量均等的電子「星座」之間互相干擾的罕見現象。在隆德大學的數學物理部的設備可以被認為是能夠生產和捕獲日冕的一小部分——它被稱為「電子束離子阱」（the Electron Beam Ion Trap，EBIT）。通過這種設備，他們找到了一種測量太陽外層相對較弱磁場的方法。

在這項新的研究中，日本名古屋大學的物理學家Kanya Kusano和他的同事們提出，當兩條弧狀磁場線連接在一起，形成一個m形環，在靠近太陽表面形成一個較小的環時，就會產生最大的耀斑。這種「雙弧不穩定性」導致了更多的「磁重連」（magnetic reconnection），而m形迴路膨脹，釋放能量。

具體來看，在靜態條件下，這是一個穩定的配置。但如果它們受到幹擾，兩個弧的磁場線就會開始合併，觸發了「磁重連」（magnetic reconnection）的失控過程，引導了太陽耀斑的能量爆發。在重新連接的過程中，變化的磁場會釋放能量爆炸，就像打結的橡皮筋最終斷裂一樣。

這種情況是否會發生，部分取決於太陽外部大氣(或日冕)的狀況，後者位於重新連接地點上方。「上面的磁場起著雙重作用，」來自名古屋大學的小組組長Kanya Kusano對天文學解釋說。帶有大量磁能的強磁場會抑制這種失控的重連事件的發生。但如果真的形成了，請注意——當耀斑向外闖入太陽系時，所有的能量都變成了燃料，就像從大氣中汲取能量的雷暴。

為了確定重新連接似乎正在醞釀的地方，研究小組建立了一個太陽磁場在活躍的太陽黑子區域的三維計算機模型。該模型是基於衛星對地表磁場的觀測，但通過模擬太陽日冕推斷出來的。接下來，他們將磁場的扭曲程度與磁場的強度進行比較，以確定需要多大的推動才能觸發跑道重連事件。Kusano將其比作分析一個被雪覆蓋的山坡，找到需要最少幹擾才能引發雪崩的點是背後關鍵。

該團隊還能夠在他們的模型中確定一個名為kappa的參數的臨界閾值，該參數可以指示耀斑是否即將來臨——同時還可以根據疊加的磁場強度粗略地預測最終耀斑的強度。

從2008年到2019年，該團隊在大約200個大型太陽黑子群上測試了他們所謂的「卡帕計劃」，其中7個產生了大型耀斑。該模型成功地預測了七次耀斑中的六次，實現了數小時至24小時不等的提前預警時間。

在每一種情況下，耀斑都發生在他們的模型預測的地點或附近。在198個沒有產生耀斑的太陽黑子群中，該模型的預測只產生了3個誤報。

要確切地知道這種方法在上線並實時運行時是否會比現有的方法更可靠還為時過早。不過研究負責人Kusano說，他的目標是在1-2年內將該模型納入運營預測。然而，他說，主要的挑戰是獲得足夠的計算能力，因為這些模型需要超級計算機來運行。

「裝在磁性瓶裡的電子」

在Kusano的團隊提供了對太陽耀斑的初始觸發的洞察之後，本周另一組科學家陳斌（Bin Chen）和他的同事還報告了對耀斑在整個日冕聚集和釋放能量過程中所發生的最詳細的觀察。

Bin Chen是來自紐瓦克市新澤西理工學院的太陽物理學家，他的團隊通過加利福尼亞大松附近的EOVSA電池組獲得了這些測量結果，該電池組於2017年9月剛剛投入使用，當時發生了一次特別巨大的耀斑爆發(也包括在Kusano的研究中)。

這項工作發表在7月27日的《自然天文學》(Nature Astronomy)雜誌上，是研究人員首次能夠測量太陽耀斑「中心引擎」的磁場強度，也就是失控重連發生的區域。令人驚訝的是，Bin Chen表示，測量到的輪廓與幾十年前提出的標準太陽耀斑模型「非常吻合」。

由於缺乏針對電流片附近磁場性質和高能粒子的觀測，耀斑能量釋放和粒子加速的位置及機制等關鍵問題長期得不到解決。但新發現提供了首次測量結果，可表徵爆炸中心的磁場和粒子。結果表明，巨大的電流「薄片」穿過鐵芯擴寬區域，延伸了40,000多公裡，在該區域中，相反的磁場線彼此靠近，斷開並重新連接，從而產生了為擴口提供動力的強大能量。

他們還發現，在這個區域的底部，磁場的形狀像一個磁性瓶——一種自然地捕獲和加速帶電粒子的結構。這可能是導致耀斑中的電子加速到接近光速的原因。5分鐘長的發射過程中，他們觀察到火炬的相對論電子約有99%聚集在磁性瓶上。

Bin Chen和Kusano說，這兩項研究大體上是一致的。Kusano認為，這種雙弧結構是引發大多數大型耀斑的原因，當耀斑展開時，它可能會自然地形成瓶狀。Bin Chen的這種首次對日冕磁場的直接觀測，反過來可以改善Kusano用來推斷日冕磁場的模擬。

「在噴發過程中，太陽磁場的力在加速等離子體中起著關鍵作用。我們的模型用於計算噴發過程中的磁力的物理性質，表現為磁場線的高度扭曲的'繩' ，」該研究的合著者Kathy Reeves解釋說：「值得注意的是，這種複雜的過程可以通過簡單的分析模型捕獲，並且預測和測量的磁場如此匹配。」

該小組的測量和匹配的模擬結果表明，耀斑具有一個電場，該電場每米產生4,000伏的電壓。這樣的強電場存在於40,000公裡的區域內，大於並排放置的三個地球的長度。分析還顯示，大量的磁能以每秒10-1000億億焦耳(10 22 -10 23)焦耳的速度被抽入——耀斑「中心引擎」處理的能量在一秒之內，就等於同時爆炸約10萬顆最強大的氫彈(50兆噸級)釋放的總能量。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

參考來源：https://science.sciencemag.org/content/369/6503/587

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200729124404.htm

https://www.sciencenews.org/article/physics-solar-flares-scientists-predict-sun-outbursts

https://www.newscientist.com/article/2250369-we-can-now-predict-dangerous-solar-flares-a-day-before-they-happen/

https://www.nsf.gov/discoveries/disc_summ.jsp?cntn_id=300964

https://scitechdaily.com/take-an-unprecedented-look-into-central-engine-powering-a-massive-solar-flare/

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