磁性的太陽,到底還有多少謎尚未揭曉? | 賽先生天文

太陽大氣中冕環(huán)等磁結(jié)構(gòu)的觀測圖像,圖片來源:NASA/Goddard Space Flight Center/SDO
撰文 | 田暉(北京大學(xué)) 張枚(中國科學(xué)院國家天文臺)
責(zé)編 | 韓越揚(yáng) 呂浩然

圖1 首次觀測到太陽磁場的海爾,圖片來源:
http://www.astro.umontreal.ca/~paulchar/grps/site/images/hale.html

圖4 太陽磁場(徑向分量)的緯度分布隨時間的變化。藍(lán)色和黃色表示不同極性(圖片來源:http://solarcyclescience.com/solarcycle.html)。
太陽磁場中儲存著巨大的能量。當(dāng)磁場演化到一定階段后,太陽就像是被觸怒了一樣,突然將這些能量一股腦地傾瀉出來。太陽上大體存在兩類這種大規(guī)模的爆發(fā)性磁活動現(xiàn)象:耀斑和日冕物質(zhì)拋射(CME)。
耀斑是在1859年9月1日被發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)天,英國天文愛好者卡林頓(Richard Carrington)和天文學(xué)家霍奇森(Richard Hodgson)在用望遠(yuǎn)鏡觀測太陽時,發(fā)現(xiàn)日面上出現(xiàn)兩道極其明亮的閃光,持續(xù)了幾分鐘。這些閃光后來就被稱為太陽耀斑(圖5左上閃亮的斑點(diǎn)),它是太陽大氣中局部區(qū)域突然釋放出巨大能量(通常為1021-1025焦耳,約相當(dāng)于幾千到幾千萬顆億噸級的氫彈同時爆炸)的現(xiàn)象,通常表現(xiàn)為電磁輻射在幾分鐘到幾個小時的時間尺度上急劇增強(qiáng),并經(jīng)常伴有強(qiáng)烈的高能粒子輻射。在20世紀(jì)六七十年代,一些太陽物理學(xué)家提出了標(biāo)準(zhǔn)耀斑模型,用來解釋部分耀斑過程中的多波段觀測特征。這類模型認(rèn)為,耀斑是由磁場能量的突然釋放所產(chǎn)生的。能量釋放的過程叫做磁重聯(lián),指的是等離子體中相反方向的磁場結(jié)構(gòu)相互靠近時,磁場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變,導(dǎo)致磁能釋放出來轉(zhuǎn)化成熱能和動能的過程。
圖5 美國太陽動力學(xué)天文臺(SDO)衛(wèi)星拍攝的耀斑和日冕物質(zhì)拋射,圖片來源:NASA/SDO
圖6 恒星的爆發(fā)性磁活動對系外行星的宜居性有重要影響,圖片來源:日本國立天文臺
圖7 2008年8月1日日全食期間拍攝的日冕圖像[5]。紅色表示溫度約100萬度的結(jié)構(gòu),綠色表示溫度約200萬度的結(jié)構(gòu)。
圖8 GST望遠(yuǎn)鏡和SDO衛(wèi)星對太陽大氣不同層次的協(xié)同觀測結(jié)果[6]。背景為SDO拍攝的日冕圖像,黑色正方形代表GST的觀測區(qū)域。層疊圖從下往上分別是光球視向磁場、光球輻射、色球輻射和日冕輻射圖。顏色均為偽彩色。
圖9 根據(jù)模型計(jì)算得到的太陽三維磁場結(jié)構(gòu)[9]。不同顏色的線代表磁力線,中間為光球磁場在視線方向上的分量分布圖,紅色和藍(lán)色代表不同極性。
圖10 CoMP觀測的日冕磁場(垂直于視線方向的分量)強(qiáng)度(左)和方向(右)分布圖疊加在SDO衛(wèi)星拍攝的日冕圖像上[8,9]。
作者簡介
張枚: 中國科學(xué)院國家天文臺研究員,國家天文臺懷柔太陽觀測基地首席科學(xué)家、副主任,美國國家大氣研究中心客座教授,中國科學(xué)院大學(xué)兼職教授。2011年獲國家杰出青年科學(xué)基金。任學(xué)術(shù)期刊Research in Astronomy and Astrophysics等的編委。主要從事太陽物理研究,涉及太陽爆發(fā)理論、太陽發(fā)電機(jī)理論、太陽矢量磁場觀測等課題。