通常，在某一熱源附近，距離熱源中心越近，溫度越高;距離越遠(yuǎn)，溫度越低。然而，這個(gè)連孩童都熟知的常識(shí)卻在太陽(yáng)上失效了。
太陽(yáng)的核心無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生著聚變反應(yīng)，釋放出大量熱能。據(jù)觀測(cè)，從太陽(yáng)核心到太陽(yáng)表面的光球?qū)?，溫度確實(shí)連續(xù)下降，從約1500萬(wàn)攝氏度下降到約5500攝氏度。然而，位于光球?qū)油獠康娜彰釋訙囟葏s驟然升高，可達(dá)百萬(wàn)攝氏度，十分反常。
因此，日冕加熱問(wèn)題始終困擾著太陽(yáng)物理學(xué)家們。近期，一項(xiàng)刊發(fā)在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》的研究成果有可能會(huì)為這一懸而未決的科學(xué)問(wèn)題提供解決線(xiàn)索。
來(lái)自挪威奧斯陸大學(xué)和英國(guó)華威大學(xué)的研究人員稱(chēng)，他們首次在太陽(yáng)日冕中直接觀測(cè)到了扭轉(zhuǎn)阿爾芬波，阿爾芬波一直被認(rèn)為在日冕加熱中起著重要作用。
阿爾芬波是什么?其在日冕加熱中如何起作用?若此次確實(shí)是首次在日冕中觀測(cè)到阿爾芬波，為何此前人們觀測(cè)不到?這次觀測(cè)又有哪些創(chuàng)新和突破?這對(duì)于太陽(yáng)物理研究有何推動(dòng)作用?帶著這些問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了兩位長(zhǎng)期從事太陽(yáng)物理相關(guān)研究的學(xué)者。
沿磁力線(xiàn)行進(jìn)的能量“搬運(yùn)工”
作為本次觀測(cè)的主角，阿爾芬波是瑞典物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主阿爾芬在1942年預(yù)言的一種橫波，指的是磁化等離子體內(nèi)沿磁場(chǎng)方向傳播的低頻波。
“等離子體中的磁場(chǎng)擾動(dòng)可產(chǎn)生阿爾芬波。”中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)太陽(yáng)物理首席科學(xué)家林雋研究員用一個(gè)形象的比喻解釋了阿爾芬波的產(chǎn)生過(guò)程。生活中，人們撥動(dòng)琴弦，琴弦震動(dòng)從而發(fā)出悅耳的聲音，即聲波。與地球不同，太陽(yáng)這顆龐大熔爐內(nèi)充斥著的不是空氣，而是等離子體。如果將磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)想象成一根根琴弦，磁場(chǎng)周?chē)鷱浡淮呕牡入x子體，當(dāng)磁場(chǎng)受到擾動(dòng)時(shí)，磁力線(xiàn)這些“琴弦”也會(huì)發(fā)生振蕩，并將這種振蕩沿著磁場(chǎng)傳播出去，這就是阿爾芬波。
阿爾芬波在太陽(yáng)大氣的能量傳輸中能起到怎樣的作用?“阿爾芬波可能在太陽(yáng)大氣中廣泛存在，耗散后能為日冕提供能量，進(jìn)而加熱日冕，使其達(dá)到遠(yuǎn)高于下方光球?qū)?、色球?qū)拥陌偃f(wàn)攝氏度高溫;阿爾芬波也被認(rèn)為在太陽(yáng)風(fēng)加速的過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用。”北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授、中國(guó)科學(xué)院太陽(yáng)活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任田暉表示。
林雋指出，阿爾芬波能夠?qū)⑻?yáng)低層大氣中的能量傳遞到外層的日冕中，是名副其實(shí)的能量“搬運(yùn)工”。但阿爾芬波本身存在一個(gè)重要問(wèn)題，即不易耗散。也就是說(shuō)，阿爾芬波就像個(gè)“吝嗇鬼”，不愿意與周?chē)牡入x子體“互動(dòng)”，很難將能量交給等離子體，轉(zhuǎn)化成等離子體的熱能。這也是阿爾芬波加熱日冕學(xué)說(shuō)中尚未解決的爭(zhēng)議點(diǎn)之一。
由于太陽(yáng)的磁場(chǎng)中充斥著各種各樣的波動(dòng)，而阿爾芬波通常不伴隨輻射強(qiáng)度的變化而變化，因此學(xué)者們很難從多樣的“迷惑選項(xiàng)”中精準(zhǔn)找出阿爾芬波。“在此前的太陽(yáng)觀測(cè)中，基本沒(méi)有出現(xiàn)受到學(xué)界公認(rèn)的阿爾芬波見(jiàn)證者。”林雋說(shuō)。
可能只是其一種存在形式
既然阿爾芬波難以觀測(cè)，那么此次新研究是如何觀測(cè)到它的?
據(jù)報(bào)道，由來(lái)自挪威奧斯陸大學(xué)的佩特拉·科胡托瓦博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組觀測(cè)到了出現(xiàn)在太陽(yáng)東側(cè)邊緣的扭轉(zhuǎn)阿爾芬波。
田暉指出，太陽(yáng)大氣中的磁場(chǎng)通常呈離散分布，磁力線(xiàn)聚集成一個(gè)個(gè)的管狀結(jié)構(gòu)，太陽(yáng)物理學(xué)家稱(chēng)之為磁流管。扭轉(zhuǎn)阿爾芬波便是在磁流管中傳播的阿爾芬波。
“扭轉(zhuǎn)阿爾芬波最主要的特征是磁力線(xiàn)沿著磁流管橫截面的圓周方向來(lái)回振蕩。”田暉表示，正因如此，如果垂直于磁流管進(jìn)行光譜觀測(cè)，會(huì)觀察到在某一時(shí)刻磁流管兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)是一側(cè)遠(yuǎn)離觀測(cè)者，另一側(cè)靠近觀測(cè)者，所顯示的是多普勒的紅移和藍(lán)移;過(guò)了半個(gè)周期后，磁流管兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)方向就會(huì)與上一時(shí)刻相反，即多普勒特征發(fā)生了周期性倒轉(zhuǎn)。
在這一研究中，就是通過(guò)光譜觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了磁流管兩側(cè)多普勒速度隨時(shí)間變化的特征，可以解釋為是扭轉(zhuǎn)阿爾芬波的觀測(cè)證據(jù)。
為何此前一直未出現(xiàn)被學(xué)界公認(rèn)的阿爾芬波觀測(cè)事件呢?
“之前的一些觀測(cè)，由于儀器分辨率不夠高，加之在光球和色球的觀測(cè)中，磁流管本身尺度很小，因而難以分辨磁流管兩側(cè)，無(wú)法進(jìn)行直接的、橫跨磁流管的光譜觀測(cè)。”田暉告訴科技日?qǐng)?bào)記者，此次新發(fā)表的研究中，一方面磁流管本身尺度較大，另一方面所用的光譜觀測(cè)儀器分辨率很高，使得這樣的觀測(cè)成為可能。但此次觀測(cè)時(shí)間僅為1—2個(gè)周期，而且期間有些數(shù)據(jù)因?yàn)樾旁氡鹊投豢捎?，因此證據(jù)不算特別強(qiáng)。未來(lái)仍需要尋找扭轉(zhuǎn)阿爾芬波的更可靠確切的觀測(cè)證據(jù)。
林雋也持有相似的謹(jǐn)慎態(tài)度，他認(rèn)為此次觀測(cè)到的是阿爾芬波的一種可能存在的表現(xiàn)形式，若想得到學(xué)界公認(rèn)還需要更多的研究數(shù)據(jù)支持。
驗(yàn)證波動(dòng)加熱需更多觀測(cè)證據(jù)
“除了首次直接觀測(cè)到日冕中的扭轉(zhuǎn)阿爾芬波外，我們還發(fā)現(xiàn)磁重聯(lián)可以導(dǎo)致這種波的產(chǎn)生。”研究人員表示。
磁重聯(lián)如何產(chǎn)生阿爾芬波?
首先，我們需要了解磁重聯(lián)的概念。磁重聯(lián)也稱(chēng)磁場(chǎng)湮滅，是等離子體中的一種物理現(xiàn)象，形象地說(shuō)，是指磁力線(xiàn)“斷開(kāi)”再“重新連接”的過(guò)程。當(dāng)極性相反的磁場(chǎng)相遇，便可能會(huì)引發(fā)磁重聯(lián)，最終的結(jié)果是將磁能轉(zhuǎn)化為熱能和動(dòng)能。
“也就是說(shuō)，磁重聯(lián)過(guò)程是將磁能轉(zhuǎn)化成其他能量形式的轉(zhuǎn)換器，是將磁能釋放的重要過(guò)程。因此，相較于阿爾芬波加熱日冕學(xué)說(shuō)，磁重聯(lián)加熱日冕學(xué)說(shuō)的擁躉也不在少數(shù)。”林雋指出。
“有學(xué)者認(rèn)為，高頻阿爾芬波是由太陽(yáng)低層大氣中頻繁發(fā)生的小尺度磁重聯(lián)導(dǎo)致的擾動(dòng)所產(chǎn)生的。”田暉告訴記者，此項(xiàng)研究的作者認(rèn)為在所觀測(cè)到的位置，原本有一個(gè)日珥。日珥本質(zhì)上可以認(rèn)為是磁力線(xiàn)扭纏產(chǎn)生的磁繩結(jié)構(gòu)。由于日珥的磁場(chǎng)和周?chē)髿獾拇帕€(xiàn)發(fā)生了重聯(lián)，導(dǎo)致磁繩的扭纏度下降，這一過(guò)程可能激發(fā)了磁繩在角向上的擾動(dòng)，從而形成扭轉(zhuǎn)阿爾芬波。
以現(xiàn)有的數(shù)據(jù)來(lái)看，研究者的觀測(cè)結(jié)果和相關(guān)解釋尚能自圓其說(shuō)。若研究者所稱(chēng)據(jù)實(shí)，這無(wú)疑會(huì)給阿爾芬波加熱日冕理論再添一道砝碼。
田暉坦言，之前曾有學(xué)者對(duì)太陽(yáng)低層大氣中的扭轉(zhuǎn)阿爾芬波進(jìn)行過(guò)間接觀測(cè)，這項(xiàng)新研究可能是首次直接觀測(cè)日冕中扭轉(zhuǎn)阿爾芬波的證據(jù)，算是一個(gè)突破。
但是，很多問(wèn)題尚未解決。“阿爾芬波加熱日冕的理論要求，波動(dòng)需要耗散以將能量供給日冕，對(duì)于這樣的耗散過(guò)程，迄今仍沒(méi)有直接的觀測(cè)證據(jù)。”田暉分析，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)的是在一次太陽(yáng)爆發(fā)過(guò)程中所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)阿爾芬波，而要驗(yàn)證波動(dòng)加熱日冕這一理論，仍然需要在太陽(yáng)寧?kù)o區(qū)觀測(cè)到廣泛存在的阿爾芬波的“倩影”。
關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)日冕 扭轉(zhuǎn)阿爾芬波
