美國著名太陽物理學(xué)家尤金·帕克曾說：“如果沒有磁場，太陽將變得枯燥無味。”而太陽磁場的起源問題，一直是天文學(xué)界的未解之謎。
近日，《自然》雜志報道，由美國西北大學(xué)牽頭的國際研究團隊提出，太陽磁場形成于太陽表面下約3.2萬千米處。這一觀點與當前流行不同。流行觀點認為太陽磁場通常形成于太陽對流層深處。
太陽磁場測量難度大
盡管我們每天目睹太陽東升西落，對太陽黑子、耀斑、日冕等活動也耳熟能詳，但對天文學(xué)家而言，太陽仍是一個“最熟悉的陌生人”。
太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，科學(xué)家普遍認為，其核心是發(fā)生核聚變的日核和輻射區(qū)，外部則為對流層。對流層約占太陽半徑頂部三分之一，其范圍延伸到太陽表面以下約20萬千米，科學(xué)家推測太陽磁場可能產(chǎn)生于這一區(qū)域。
磁場是一種看不見、摸不著的物質(zhì)，但可以通過某些具體的方式展現(xiàn)出來。“在磁鐵上放一塊玻璃板，玻璃板上撒些鐵粉，然后輕拍玻璃板，鐵粉便會按照一定方向有序排列，這就是具象化的磁力線。”中國科學(xué)院國家天文臺研究員張洪起介紹，太陽磁場和地球磁場物理性質(zhì)基本一樣，但太陽磁場更為復(fù)雜多變。張洪起曾經(jīng)長期在國家天文臺的懷柔太陽觀測基地工作。該基地是國際著名的太陽磁場觀測臺站，曾取得一系列世界一流觀測和研究成果。
“假如能把指南針放在太陽表面，那么會發(fā)現(xiàn)在太陽的不同區(qū)域，指南針的指向是不同的，即使是在同一區(qū)域，指南針在不同時刻所指的方向也會發(fā)生變化。”張洪起解釋，之所以會出現(xiàn)這樣的情況，是因為太陽磁場不斷隨時間發(fā)生演化，并向日地空間擴散開來。
然而，指南針難以放到炙熱的太陽附近。為了觀測太陽磁場，科學(xué)家只能另辟蹊徑，利用物理學(xué)中的塞曼效應(yīng)進行觀測。塞曼效應(yīng)是指在外磁場中，原子的發(fā)射譜線會發(fā)生分裂且偏振的現(xiàn)象。張洪起介紹，通過測量太陽上的光譜分裂和不同分量偏振情況，就能夠間接推演太陽表面磁場的分布狀態(tài)。
1908年，美國天文學(xué)家喬治·埃勒里·海耳首先發(fā)現(xiàn)太陽黑子具有強磁場。他第一次證實了宇宙中除地球磁場之外的磁場存在，也間接揭示了太陽活動源自磁場。但是，由于太陽大氣的不透明性，人們只能測量太陽表層磁場的大概分布情況，無法獲得太陽內(nèi)部磁場的真實分布狀態(tài)。
帕克在1955年提出了太陽發(fā)電機理論，以解釋太陽內(nèi)部磁場的起源和演化。太陽發(fā)電機理論認為，通常在太陽內(nèi)部，高溫等離子體的流動受到太陽核心核聚變產(chǎn)生的巨大熱量影響，促進了復(fù)雜的磁場形成和演化。
“形象地說，太陽就像一個發(fā)電機，它的旋轉(zhuǎn)以及內(nèi)部物質(zhì)的流動，將運動能轉(zhuǎn)化為電磁能。”張洪起說，由于人們無法真正了解太陽內(nèi)部，因此至今都不能完全弄清太陽磁場形成的細節(jié)。
著眼太陽表面開展研究
為探究太陽磁場的起源，科學(xué)家往往先觀測太陽表面，然后建立模型，通過計算來推測太陽內(nèi)部多層次的等離子體流動情況。
《自然》雜志發(fā)表的上述研究并未嘗試模擬整個太陽內(nèi)部的復(fù)雜等離子體流動，而是研究太陽表面附近等離子體流動的穩(wěn)定性，以探究其是否足以解答太陽磁場起源問題。
該研究主要基于日震學(xué)數(shù)據(jù)。日震學(xué)將低緯度扭轉(zhuǎn)振動定位到太陽外圍的5%—10%，即近表剪切層。在該區(qū)域，向內(nèi)增加的差異旋轉(zhuǎn)與極向磁場的耦合強烈暗示了磁旋轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性。
隨后，研究人員運用新算法建立模型，模擬后發(fā)現(xiàn)，在太陽表面5%—10%的等離子體流發(fā)生的變化就足以產(chǎn)生磁場模式。他們進一步模擬發(fā)現(xiàn)，相較之下，太陽對流層深處的變化所產(chǎn)生的磁場與實際觀測數(shù)據(jù)不太吻合。
“過去的研究多集中在太陽對流層深處探究太陽發(fā)電機運轉(zhuǎn)，而此次研究從新的視角出發(fā)，提出了太陽磁場可能是在太陽表面下約3.2萬千米處產(chǎn)生的觀點。”張洪起認為，這種觀點在天文學(xué)界引起了很大爭論，但科學(xué)往往需要在爭論中向前發(fā)展。
太陽磁場之所以備受關(guān)注，是因為其引發(fā)的太陽活動在很多方面影響著人類活動。張洪起介紹，對于宇航員來說，在執(zhí)行太空任務(wù)時，尤其是進入更深層次的宇宙空間時，太陽爆發(fā)活動（即太陽風(fēng)暴）可能對其構(gòu)成潛在的巨大威脅。其次，太陽活動還會影響地球大氣的電離層，進而對電波通信產(chǎn)生干擾，甚至可能導(dǎo)致短波通信中斷。此外，太陽活動的周期性變化與人類的生存環(huán)境、氣象氣候以及某些特殊疾病的發(fā)生都密切相關(guān)。
對太陽的探索永無止境
太陽磁場起源僅僅是太陽未解之謎中的一個，在揭開更多太陽未解之謎的道路上，人類面臨著種種艱難險阻。
在中國科學(xué)院國家天文臺研究員張承民看來，磁流體力學(xué)作為研究太陽的重要基礎(chǔ)，其復(fù)雜性在于磁場與電流體的交織作用。流體力學(xué)中的湍流問題尚未有完整解答，而電磁場的引入無疑為這一領(lǐng)域增添了更多未知數(shù)。磁場與電場之間的相互作用，以及各自的三維特性，再加上流體的壓力、流速、溫度和密度等多重因素，使得求解精確的數(shù)學(xué)方程變得異常困難。
太陽環(huán)境的復(fù)雜性不僅體現(xiàn)在其物理參數(shù)和磁流體力學(xué)的特性上，更在于其高度的非線性。張承民強調(diào)，這種非線性意味著微小的變化可能引發(fā)巨大的影響，正如亞馬孫森林中的蝴蝶扇動翅膀可能引發(fā)遠處的颶風(fēng)一樣，這種不確定性增加了人們預(yù)測太陽活動的難度。
“由于太陽外層環(huán)境的復(fù)雜性，人們很難通過經(jīng)驗來預(yù)測其變化。”張承民表示，當前人們主要通過衛(wèi)星等間接手段獲取太陽的整體環(huán)境信息，近年來，雖然有人提出利用人工智能和大數(shù)據(jù)對太陽活動進行分析，但這種方法仍難以深入揭示其背后的物理原理。
要解開更多太陽之謎，天文學(xué)家不僅需要深入剖析其物理原理、建立數(shù)學(xué)模型，還需不斷探索新的研究方法和手段。正如張洪起在他的專著《太陽磁學(xué)》中所言：“100個天文學(xué)家可能有100個太陽風(fēng)暴的模型。”他認為，對于無法直接探測的事物，人們自然會產(chǎn)生各種遐想并提出各種新方法，這些遐想和方法因人而異，但都是科學(xué)探索進步的驅(qū)動力。
美國著名太陽物理學(xué)家尤金·帕克曾說：“如果沒有磁場，太陽將變得枯燥無味。”而太陽磁場的起源問題，一直是天文學(xué)界的未解之謎。
近日，《自然》雜志報道，由美國西北大學(xué)牽頭的國際研究團隊提出，太陽磁場形成于太陽表面下約3.2萬千米處。這一觀點與當前流行不同。流行觀點認為太陽磁場通常形成于太陽對流層深處。
太陽磁場測量難度大
盡管我們每天目睹太陽東升西落，對太陽黑子、耀斑、日冕等活動也耳熟能詳，但對天文學(xué)家而言，太陽仍是一個“最熟悉的陌生人”。
太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，科學(xué)家普遍認為，其核心是發(fā)生核聚變的日核和輻射區(qū)，外部則為對流層。對流層約占太陽半徑頂部三分之一，其范圍延伸到太陽表面以下約20萬千米，科學(xué)家推測太陽磁場可能產(chǎn)生于這一區(qū)域。
磁場是一種看不見、摸不著的物質(zhì)，但可以通過某些具體的方式展現(xiàn)出來。“在磁鐵上放一塊玻璃板，玻璃板上撒些鐵粉，然后輕拍玻璃板，鐵粉便會按照一定方向有序排列，這就是具象化的磁力線。”中國科學(xué)院國家天文臺研究員張洪起介紹，太陽磁場和地球磁場物理性質(zhì)基本一樣，但太陽磁場更為復(fù)雜多變。張洪起曾經(jīng)長期在國家天文臺的懷柔太陽觀測基地工作。該基地是國際著名的太陽磁場觀測臺站，曾取得一系列世界一流觀測和研究成果。
“假如能把指南針放在太陽表面，那么會發(fā)現(xiàn)在太陽的不同區(qū)域，指南針的指向是不同的，即使是在同一區(qū)域，指南針在不同時刻所指的方向也會發(fā)生變化。”張洪起解釋，之所以會出現(xiàn)這樣的情況，是因為太陽磁場不斷隨時間發(fā)生演化，并向日地空間擴散開來。
然而，指南針難以放到炙熱的太陽附近。為了觀測太陽磁場，科學(xué)家只能另辟蹊徑，利用物理學(xué)中的塞曼效應(yīng)進行觀測。塞曼效應(yīng)是指在外磁場中，原子的發(fā)射譜線會發(fā)生分裂且偏振的現(xiàn)象。張洪起介紹，通過測量太陽上的光譜分裂和不同分量偏振情況，就能夠間接推演太陽表面磁場的分布狀態(tài)。
1908年，美國天文學(xué)家喬治·埃勒里·海耳首先發(fā)現(xiàn)太陽黑子具有強磁場。他第一次證實了宇宙中除地球磁場之外的磁場存在，也間接揭示了太陽活動源自磁場。但是，由于太陽大氣的不透明性，人們只能測量太陽表層磁場的大概分布情況，無法獲得太陽內(nèi)部磁場的真實分布狀態(tài)。
帕克在1955年提出了太陽發(fā)電機理論，以解釋太陽內(nèi)部磁場的起源和演化。太陽發(fā)電機理論認為，通常在太陽內(nèi)部，高溫等離子體的流動受到太陽核心核聚變產(chǎn)生的巨大熱量影響，促進了復(fù)雜的磁場形成和演化。
“形象地說，太陽就像一個發(fā)電機，它的旋轉(zhuǎn)以及內(nèi)部物質(zhì)的流動，將運動能轉(zhuǎn)化為電磁能。”張洪起說，由于人們無法真正了解太陽內(nèi)部，因此至今都不能完全弄清太陽磁場形成的細節(jié)。
著眼太陽表面開展研究
為探究太陽磁場的起源，科學(xué)家往往先觀測太陽表面，然后建立模型，通過計算來推測太陽內(nèi)部多層次的等離子體流動情況。
《自然》雜志發(fā)表的上述研究并未嘗試模擬整個太陽內(nèi)部的復(fù)雜等離子體流動，而是研究太陽表面附近等離子體流動的穩(wěn)定性，以探究其是否足以解答太陽磁場起源問題。
該研究主要基于日震學(xué)數(shù)據(jù)。日震學(xué)將低緯度扭轉(zhuǎn)振動定位到太陽外圍的5%—10%，即近表剪切層。在該區(qū)域，向內(nèi)增加的差異旋轉(zhuǎn)與極向磁場的耦合強烈暗示了磁旋轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性。
隨后，研究人員運用新算法建立模型，模擬后發(fā)現(xiàn)，在太陽表面5%—10%的等離子體流發(fā)生的變化就足以產(chǎn)生磁場模式。他們進一步模擬發(fā)現(xiàn)，相較之下，太陽對流層深處的變化所產(chǎn)生的磁場與實際觀測數(shù)據(jù)不太吻合。
“過去的研究多集中在太陽對流層深處探究太陽發(fā)電機運轉(zhuǎn)，而此次研究從新的視角出發(fā)，提出了太陽磁場可能是在太陽表面下約3.2萬千米處產(chǎn)生的觀點。”張洪起認為，這種觀點在天文學(xué)界引起了很大爭論，但科學(xué)往往需要在爭論中向前發(fā)展。
太陽磁場之所以備受關(guān)注，是因為其引發(fā)的太陽活動在很多方面影響著人類活動。張洪起介紹，對于宇航員來說，在執(zhí)行太空任務(wù)時，尤其是進入更深層次的宇宙空間時，太陽爆發(fā)活動（即太陽風(fēng)暴）可能對其構(gòu)成潛在的巨大威脅。其次，太陽活動還會影響地球大氣的電離層，進而對電波通信產(chǎn)生干擾，甚至可能導(dǎo)致短波通信中斷。此外，太陽活動的周期性變化與人類的生存環(huán)境、氣象氣候以及某些特殊疾病的發(fā)生都密切相關(guān)。
對太陽的探索永無止境
太陽磁場起源僅僅是太陽未解之謎中的一個，在揭開更多太陽未解之謎的道路上，人類面臨著種種艱難險阻。
在中國科學(xué)院國家天文臺研究員張承民看來，磁流體力學(xué)作為研究太陽的重要基礎(chǔ)，其復(fù)雜性在于磁場與電流體的交織作用。流體力學(xué)中的湍流問題尚未有完整解答，而電磁場的引入無疑為這一領(lǐng)域增添了更多未知數(shù)。磁場與電場之間的相互作用，以及各自的三維特性，再加上流體的壓力、流速、溫度和密度等多重因素，使得求解精確的數(shù)學(xué)方程變得異常困難。
太陽環(huán)境的復(fù)雜性不僅體現(xiàn)在其物理參數(shù)和磁流體力學(xué)的特性上，更在于其高度的非線性。張承民強調(diào)，這種非線性意味著微小的變化可能引發(fā)巨大的影響，正如亞馬孫森林中的蝴蝶扇動翅膀可能引發(fā)遠處的颶風(fēng)一樣，這種不確定性增加了人們預(yù)測太陽活動的難度。
“由于太陽外層環(huán)境的復(fù)雜性，人們很難通過經(jīng)驗來預(yù)測其變化。”張承民表示，當前人們主要通過衛(wèi)星等間接手段獲取太陽的整體環(huán)境信息，近年來，雖然有人提出利用人工智能和大數(shù)據(jù)對太陽活動進行分析，但這種方法仍難以深入揭示其背后的物理原理。
要解開更多太陽之謎，天文學(xué)家不僅需要深入剖析其物理原理、建立數(shù)學(xué)模型，還需不斷探索新的研究方法和手段。正如張洪起在他的專著《太陽磁學(xué)》中所言：“100個天文學(xué)家可能有100個太陽風(fēng)暴的模型。”他認為，對于無法直接探測的事物，人們自然會產(chǎn)生各種遐想并提出各種新方法，這些遐想和方法因人而異，但都是科學(xué)探索進步的驅(qū)動力。
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