太陽日冕中首次直接觀測到扭轉(zhuǎn)阿爾芬波 阿爾芬波是什么?

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)卻在太陽上失效了。

太陽的核心無時(shí)無刻不在發(fā)生著聚變反應(yīng)，釋放出大量熱能。據(jù)觀測，從太陽核心到太陽表面的光球?qū)?，溫度確實(shí)連續(xù)下降，從約1500萬攝氏度下降到約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)百萬攝氏度，十分反常。

因此，日冕加熱問題始終困擾著太陽物理學(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)問題提供解決線索。

來自挪威奧斯陸大學(xué)和英國華威大學(xué)的研究人員稱，他們首次在太陽日冕中直接觀測到了扭轉(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到阿爾芬波，為何此前人們觀測不到?這次觀測又有哪些創(chuàng)新和突破?這對(duì)于太陽物理研究有何推動(dòng)作用?帶著這些問題，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了兩位長期從事太陽物理相關(guān)研究的學(xué)者。

沿磁力線行進(jìn)的能量“搬運(yùn)工”

作為本次觀測的主角，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)沿磁場方向傳播的低頻波。

“等離子體中的磁場擾動(dòng)可產(chǎn)生阿爾芬波。”中國科學(xué)院云南天文臺(tái)太陽物理首席科學(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。如果將磁場的磁力線想象成一根根琴弦，磁場周圍彌漫著被磁化的等離子體，當(dāng)磁場受到擾動(dòng)時(shí)，磁力線這些“琴弦”也會(huì)發(fā)生振蕩，并將這種振蕩沿著磁場傳播出去，這就是阿爾芬波。

阿爾芬波在太陽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攝氏度高溫;阿爾芬波也被認(rèn)為在太陽風(fēng)加速的過程中起到了關(guān)鍵作用。”北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授、中國科學(xué)院太陽活動(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柕蛯哟髿庵械哪芰總鬟f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)重要問題，即不易耗散。也就是說，阿爾芬波就像個(gè)“吝嗇鬼”，不愿意與周圍的等離子體“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)說中尚未解決的爭議點(diǎn)之一。

由于太陽的磁場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。“在此前的太陽觀測中，基本沒有出現(xiàn)受到學(xué)界公認(rèn)的阿爾芬波見證者。”林雋說。

可能只是其一種存在形式

既然阿爾芬波難以觀測，那么此次新研究是如何觀測到它的?

據(jù)報(bào)道，由來自挪威奧斯陸大學(xué)的佩特拉·科胡托瓦博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組觀測到了出現(xiàn)在太陽東側(cè)邊緣的扭轉(zhuǎn)阿爾芬波。

田暉指出，太陽大氣中的磁場通常呈離散分布，磁力線聚集成一個(gè)個(gè)的管狀結(jié)構(gòu)，太陽物理學(xué)家稱之為磁流管。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沿著磁流管橫截面的圓周方向來回振蕩。”田暉表示，正因如此，如果垂直于磁流管進(jìn)行光譜觀測，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)離觀測者，另一側(cè)靠近觀測者，所顯示的是多普勒的紅移和藍(lán)移;過了半個(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，就是通過光譜觀測，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)的阿爾芬波觀測事件呢?

“之前的一些觀測，由于儀器分辨率不夠高，加之在光球和色球的觀測中，磁流管本身尺度很小，因而難以分辨磁流管兩側(cè)，無法進(jìn)行直接的、橫跨磁流管的光譜觀測。”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儀器分辨率很高，使得這樣的觀測成為可能。但此次觀測時(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豢捎茫虼俗C據(jù)不算特別強(qiáng)。未來仍需要尋找扭轉(zhuǎn)阿爾芬波的更可靠確切的觀測證據(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)加熱需更多觀測證據(jù)

“除了首次直接觀測到日冕中的扭轉(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)也稱磁場湮滅，是等離子體中的一種物理現(xiàn)象，形象地說，是指磁力線“斷開”再“重新連接”的過程。當(dāng)極性相反的磁場相遇，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，磁重聯(lián)過程是將磁能轉(zhuǎn)化成其他能量形式的轉(zhuǎn)換器，是將磁能釋放的重要過程。因此，相較于阿爾芬波加熱日冕學(xué)說，磁重聯(lián)加熱日冕學(xué)說的擁躉也不在少數(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)為是磁力線扭纏產(chǎn)生的磁繩結(jié)構(gòu)。由于日珥的磁場和周圍大氣的磁力線發(fā)生了重聯(lián)，導(dǎo)致磁繩的扭纏度下降，這一過程可能激發(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)來看，研究者的觀測結(jié)果和相關(guān)解釋尚能自圓其說。若研究者所稱據(jù)實(shí)，這無疑會(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)太陽低層大氣中的扭轉(zhuǎn)阿爾芬波進(jìn)行過間接觀測，這項(xiàng)新研究可能是首次直接觀測日冕中扭轉(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)于這樣的耗散過程，迄今仍沒有直接的觀測證據(jù)。”田暉分析，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)的是在一次太陽爆發(fā)過程中所產(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，仍然需要在太陽寧靜區(qū)觀測到廣泛存在的阿爾芬波的“倩影”。(實(shí)習(xí)記者 于紫月)

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