美國(guó)著名太陽(yáng)物理學(xué)家尤金·帕克曾說(shuō)：“如果沒有磁場(chǎng)，太陽(yáng)將變得枯燥無(wú)味。”而太陽(yáng)磁場(chǎng)的起源問(wèn)題，一直是天文學(xué)界的未解之謎。
近日，《自然》雜志報(bào)道，由美國(guó)西北大學(xué)牽頭的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)提出，太陽(yáng)磁場(chǎng)形成于太陽(yáng)表面下約3.2萬(wàn)千米處。這一觀點(diǎn)與當(dāng)前流行不同。流行觀點(diǎn)認(rèn)為太陽(yáng)磁場(chǎng)通常形成于太陽(yáng)對(duì)流層深處。
太陽(yáng)磁場(chǎng)測(cè)量難度大
盡管我們每天目睹太陽(yáng)東升西落，對(duì)太陽(yáng)黑子、耀斑、日冕等活動(dòng)也耳熟能詳，但對(duì)天文學(xué)家而言，太陽(yáng)仍是一個(gè)“最熟悉的陌生人”。
太陽(yáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，科學(xué)家普遍認(rèn)為，其核心是發(fā)生核聚變的日核和輻射區(qū)，外部則為對(duì)流層。對(duì)流層約占太陽(yáng)半徑頂部三分之一，其范圍延伸到太陽(yáng)表面以下約20萬(wàn)千米，科學(xué)家推測(cè)太陽(yáng)磁場(chǎng)可能產(chǎn)生于這一區(qū)域。
磁場(chǎng)是一種看不見、摸不著的物質(zhì)，但可以通過(guò)某些具體的方式展現(xiàn)出來(lái)。“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(huì)按照一定方向有序排列，這就是具象化的磁力線。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員張洪起介紹，太陽(yáng)磁場(chǎng)和地球磁場(chǎng)物理性質(zhì)基本一樣，但太陽(yáng)磁場(chǎng)更為復(fù)雜多變。張洪起曾經(jīng)長(zhǎng)期在國(guó)家天文臺(tái)的懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地工作。該基地是國(guó)際著名的太陽(yáng)磁場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站，曾取得一系列世界一流觀測(cè)和研究成果。
“假如能把指南針放在太陽(yáng)表面，那么會(huì)發(fā)現(xiàn)在太陽(yáng)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(shí)刻所指的方向也會(huì)發(fā)生變化。”張洪起解釋，之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，是因?yàn)樘?yáng)磁場(chǎng)不斷隨時(shí)間發(fā)生演化，并向日地空間擴(kuò)散開來(lái)。
然而，指南針難以放到炙熱的太陽(yáng)附近。為了觀測(cè)太陽(yáng)磁場(chǎng)，科學(xué)家只能另辟蹊徑，利用物理學(xué)中的塞曼效應(yīng)進(jìn)行觀測(cè)。塞曼效應(yīng)是指在外磁場(chǎng)中，原子的發(fā)射譜線會(huì)發(fā)生分裂且偏振的現(xiàn)象。張洪起介紹，通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)上的光譜分裂和不同分量偏振情況，就能夠間接推演太陽(yáng)表面磁場(chǎng)的分布狀態(tài)。
1908年，美國(guó)天文學(xué)家喬治·埃勒里·海耳首先發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)黑子具有強(qiáng)磁場(chǎng)。他第一次證實(shí)了宇宙中除地球磁場(chǎng)之外的磁場(chǎng)存在，也間接揭示了太陽(yáng)活動(dòng)源自磁場(chǎng)。但是，由于太陽(yáng)大氣的不透明性，人們只能測(cè)量太陽(yáng)表層磁場(chǎng)的大概分布情況，無(wú)法獲得太陽(yáng)內(nèi)部磁場(chǎng)的真實(shí)分布狀態(tài)。
帕克在1955年提出了太陽(yáng)發(fā)電機(jī)理論，以解釋太陽(yáng)內(nèi)部磁場(chǎng)的起源和演化。太陽(yáng)發(fā)電機(jī)理論認(rèn)為，通常在太陽(yáng)內(nèi)部，高溫等離子體的流動(dòng)受到太陽(yáng)核心核聚變產(chǎn)生的巨大熱量影響，促進(jìn)了復(fù)雜的磁場(chǎng)形成和演化。
“形象地說(shuō)，太陽(yáng)就像一個(gè)發(fā)電機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)以及內(nèi)部物質(zhì)的流動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電磁能。”張洪起說(shuō)，由于人們無(wú)法真正了解太陽(yáng)內(nèi)部，因此至今都不能完全弄清太陽(yáng)磁場(chǎng)形成的細(xì)節(jié)。
著眼太陽(yáng)表面開展研究
為探究太陽(yáng)磁場(chǎng)的起源，科學(xué)家往往先觀測(cè)太陽(yáng)表面，然后建立模型，通過(guò)計(jì)算來(lái)推測(cè)太陽(yáng)內(nèi)部多層次的等離子體流動(dòng)情況。
《自然》雜志發(fā)表的上述研究并未嘗試模擬整個(gè)太陽(yáng)內(nèi)部的復(fù)雜等離子體流動(dòng)，而是研究太陽(yáng)表面附近等離子體流動(dòng)的穩(wěn)定性，以探究其是否足以解答太陽(yáng)磁場(chǎng)起源問(wèn)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(dòng)定位到太陽(yáng)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(chǎng)的耦合強(qiáng)烈暗示了磁旋轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性。
隨后，研究人員運(yùn)用新算法建立模型，模擬后發(fā)現(xiàn)，在太陽(yáng)表面5%—10%的等離子體流發(fā)生的變化就足以產(chǎn)生磁場(chǎng)模式。他們進(jìn)一步模擬發(fā)現(xiàn)，相較之下，太陽(yáng)對(duì)流層深處的變化所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)不太吻合。
“過(guò)去的研究多集中在太陽(yáng)對(duì)流層深處探究太陽(yáng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，而此次研究從新的視角出發(fā)，提出了太陽(yáng)磁場(chǎng)可能是在太陽(yáng)表面下約3.2萬(wàn)千米處產(chǎn)生的觀點(diǎn)。”張洪起認(rèn)為，這種觀點(diǎn)在天文學(xué)界引起了很大爭(zhēng)論，但科學(xué)往往需要在爭(zhēng)論中向前發(fā)展。
太陽(yáng)磁場(chǎng)之所以備受關(guān)注，是因?yàn)槠湟l(fā)的太陽(yáng)活動(dòng)在很多方面影響著人類活動(dòng)。張洪起介紹，對(duì)于宇航員來(lái)說(shuō)，在執(zhí)行太空任務(wù)時(shí)，尤其是進(jìn)入更深層次的宇宙空間時(shí)，太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)(即太陽(yáng)風(fēng)暴)可能對(duì)其構(gòu)成潛在的巨大威脅。其次，太陽(yáng)活動(dòng)還會(huì)影響地球大氣的電離層，進(jìn)而對(duì)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(yáng)活動(dòng)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(duì)太陽(yáng)的探索永無(wú)止境
太陽(yáng)磁場(chǎng)起源僅僅是太陽(yáng)未解之謎中的一個(gè)，在揭開更多太陽(yáng)未解之謎的道路上，人類面臨著種種艱難險(xiǎn)阻。
在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員張承民看來(lái)，磁流體力學(xué)作為研究太陽(yáng)的重要基礎(chǔ)，其復(fù)雜性在于磁場(chǎng)與電流體的交織作用。流體力學(xué)中的湍流問(wèn)題尚未有完整解答，而電磁場(chǎng)的引入無(wú)疑為這一領(lǐng)域增添了更多未知數(shù)。磁場(chǎng)與電場(chǎng)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(yáng)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(qiáng)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(dòng)翅膀可能引發(fā)遠(yuǎn)處的颶風(fēng)一樣，這種不確定性增加了人們預(yù)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)的難度。
“由于太陽(yáng)外層環(huán)境的復(fù)雜性，人們很難通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)其變化。”張承民表示，當(dāng)前人們主要通過(guò)衛(wèi)星等間接手段獲取太陽(yáng)的整體環(huán)境信息，近年來(lái)，雖然有人提出利用人工智能和大數(shù)據(jù)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)進(jìn)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(yáng)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(yáng)磁學(xué)》中所言：“100個(gè)天文學(xué)家可能有100個(gè)太陽(yáng)風(fēng)暴的模型。”他認(rèn)為，對(duì)于無(wú)法直接探測(cè)的事物，人們自然會(huì)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(jìn)步的驅(qū)動(dòng)力。
